JP2004072053A - 気相成長装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（２）を配置するためのウェハ収容体（３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（５）と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、単一の素材もしくは部材からなり、前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにした。
【選択図】 図３
【解決手段】反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（２）を配置するためのウェハ収容体（３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（５）と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、単一の素材もしくは部材からなり、前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにした。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハを加熱しながら高温状態で原料ガスを供給することによりウェハ表面に薄膜を気相成長させるための気相成長装置に係り、特に、ウェハを配置するためのウェハ収容体の材質の特性に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、気相成長法は産業界の様々な分野で利用されている。気相成長においてウェハ上に成長した薄膜の膜厚、組成およびドーピング濃度の面内全域の高均一化はいうまでもなく必須項目である。そして、面内全域の均一化の実現手段として、ウェハ加熱の均熱化は最も重要な要素技術とされている。
【０００３】
図１は、一般的な気相成長装置の構成例を示す断面図である。図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。
【０００４】
図２はウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。ウェハホルダ３は、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成され、反対面でサセプタ４と接触するように構成されている。
【０００５】
なお、サセプタ４は加熱ヒータ５からの熱を均一に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成される。また、ウェハホルダ３にも熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的である。
【０００６】
上述の構成をした気相成長装置においては、加熱ヒータ５でサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱を伝え、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給しながら薄膜の気相成長を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の実験により、上述したような気相成長装置１００においては、ウェハ２の表面温度がウェハホルダ３の表面温度より低くなるため、ウェハ２の周縁部分はウェハホルダ３の温度の影響を受けてウェハ２の中央部分よりも温度が高くなってしまうことが判明した。つまり、従来の気相成長装置１００ではウェハ２の面内温度分布が均一とならないために、ウェハ２の面内全域において均一性に優れた薄膜を気相成長させるのは困難であることが明かとなった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、密閉可能な反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（２）を配置するためのウェハ収容体（３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（５）と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、単一の素材もしくは部材からなり、前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにしたものである。
【００１０】
ここで、図３に示すウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図より、熱伝達経路１における熱抵抗Ｒ１は、ウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ１ｃと、ウェハホルダ３とウェハ２との接触熱抵抗Ｒ１ｇと、ウェハ２部分の熱抵抗Ｒ１ｗとを足し合わせた抵抗となり、熱伝達経路２における熱抵抗Ｒ２はウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ２ｃとなる。
【００１１】
これにより、ウェハ収容体の裏面からウェハおよびウェハ収容体の表面へ熱が伝達される際に、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗がほぼ同等となるので、同様の熱伝導が行われ、ウェハおよびウェハ収容体の表面の到達温度を同じくすることができる。したがって、ウェハ表面とウェハ収容体の表面温度に差が生じることによってウェハ周縁部の表面温度がウェハ中央部の表面温度よりも上昇するのを回避でき、ウェハの面内温度分布を均一に保持することができる。その結果、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる。
【００１２】
具体的には、前記ウェハ収容体を、該ウェハ収容体に配置されるウェハの熱伝導率に近い熱伝導率を有する材質で形成するのが望ましい。特に限定しないが、薄膜成長やリアクタ内の雰囲気を汚染しないような特性を有する材料であれば、いかなる材料を用いてウェハ収容体を製作してもよい。例えば、ウェハ収容体をアモルファスカーボン（熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ）や窒化アルミニウム（熱伝導率４０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋ）等は、従来のグラファイト（１００Ｗ／ｍ・Ｋ ａｔ ６００℃）よりもウェハと熱伝導率が近いので収容部を形成する材質として適している。
【００１３】
さらに望ましくは、前記ウェハ収容体を、ウェハの熱伝導率の０．５倍以上２倍以下の熱伝導率を有する材質で形成する。これにより、ウェハ収容体の厚さを厚くすることなく熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができるので、装置の大型化を回避できる。例えば、ＩｎＰウェハの場合、６００℃における熱伝導率が１４．３Ｗ／ｍ・Ｋなので、熱伝導率が７．１５〜２８．６Ｗ／ｍ・Ｋである材質（例えばアモルファスカーボン）でウェハ収容体を形成すればよい。
【００１４】
以下に、本発明を完成するに至った経緯について図３を参照して説明する。
まず、本発明者等は、ウェハ２の表面温度がウェハホルダ３の表面温度より低くなる原因について、ウェハ２およびウェハホルダ３内部における熱伝達経路の違いに着目した。すなわち、一般的にウェハ２とウェハホルダ３の材質は異なり、同様の熱伝達が行われないために、それぞれの表面の到達温度に差が生じると考えた。
【００１５】
図３は、ウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図である。図３において、Ｔｕｐはウェハホルダ３の裏面温度で、Ｔｓｕｒｆはウェハ２またはウェハホルダ３の表面温度で、Ｔｄｏｗｎはウェハ２およびウェハホルダ３表面から所定の距離だけ離れた位置に想定した面（以下、仮想境界面と称する）における温度である。図３に示すように、ウェハ２の表面にはウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３およびウェハ２を通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路１にしたがって熱伝達が行われ、ウェハホルダ３の表面にはウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３を通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路２にしたがって熱伝達が行われる。このように、ウェハ２の表面とウェハホルダ３の表面とでは、それぞれ熱の伝達経路が異なっていることがわかる。
【００１６】
すなわち、図３に示すウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図より、熱伝達経路１における熱抵抗Ｒ１は、ウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ１ｃと、ウェハホルダ３とウェハ２との接触熱抵抗Ｒ１ｇと、ウェハ２部分の熱抵抗Ｒ１ｗとを足し合わせた抵抗となり、熱伝達経路２における熱抵抗Ｒ２はウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ２ｃとなる。
また、熱抵抗Ｒは下式（１）で与えられる。
【００１７】
【数式１】
【００１８】
これより、熱抵抗Ｒ１、Ｒ２は下式のように表すことができる。
【００１９】
【数式２】
【００２０】
ここで、ウェハ２（ＩｎＰ、ＧａＡｓ等）の熱伝導率ｋ１ｗはウェハホルダ３（グラファイト、モリブデン等）の熱伝導率ｋ２ｃに比べて著しく小さいことからＬｗ／ｋ１ｗ＞Ｌｗ／ｋ２ｃとなるうえ、ウェハ２とウェハホルダ３との接触面では接触熱抵抗Ｒ１ｇが生じるので、明らかにＲ１よりもＲ２のほうが小さくなる。
【００２１】
【数式３】
【００２２】
また、熱伝達は、熱伝達経路における熱流束に支配される。一般に、熱流束とは単位面積（単位：ｍ２）を流れるエネルギー（熱流）量であり、下式（５）で与えられる。
【００２３】
【数式４】
【００２４】
また、図３において熱伝達経路１，２における総括熱抵抗Ｒ１ｔｏｔａｌ ，Ｒ２ｔｏｔａｌは下式で表される。
【００２５】
【数式５】
【００２６】
上式（４）、（６）、（７）よりＲ１ｔｏｔａｌ＞Ｒ２ｔｏｔａｌとなる。したがって、熱伝達経路１における熱流束ｑ１は熱伝達経路２における熱流束ｑ２よりも小さくなる。
【００２７】
【数式６】
【００２８】
また、熱流束ｑ１，ｑ２は、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆ、ウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆを用いて下式のように表すことができる。
【００２９】
【数式７】
【００３０】
上式（８）、（９）、（１０）より、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆがウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆよりも低くなることが導き出される。
【００３１】
【数式８】
【００３２】
このように、従来の気相成長装置においては、ウェハ２とウェハホルダ３の熱伝導率が大きく異なるために、上述のように表面温度Ｔ１ｓｕｒｆ、Ｔ２ｓｕｒｆに差が生じることがわかった。
【００３３】
一方、上式（５）〜（１０）より、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆとウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆの差を小さくするためには、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗Ｒ１とＲ２を同等とすればよい（すなわち、熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づける）。具体的には、式（２）、（３）より、ウェハ２の熱伝導率ｋ１ｗとウェハホルダ３の熱伝導率ｋ２ｃを同等とすることで、熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができる。
【００３４】
本発明は、上記知見をもとに完成するに至ったものであり、気相成長装置において、ウェハホルダ３裏面からウェハ２表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１とウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにしたものである。
【００３５】
また、上式（２）、（３）においてＬｃの値を大きくすることによっても熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができるが、温度制御上、装置の有効空間上、コスト上の問題から実現は困難であるため、具体的な方策として、ウェハホルダ３の材質をウェハ２の熱伝導率と近い熱伝導率を有する材質とした。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。従来技術で示した気相成長装置と概略構成は同じである。ウェハ収容体としてのウェハホルダ３の材質を、従来技術ではグラファイト等の熱伝導率が高い材質としていたのを、本実施形態ではアモルファスカーボン（以下、α−カーボンと略記する）としている点が異なる。
【００３７】
図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。
【００３８】
この気相成長装置１００の各壁体は例えばステンレスで構成される。また、ガス導入管７は上側壁体中央部に設置され、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の第１３（３Ｂ）族原料ガスと、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）等の第１５（５Ｂ）族原料ガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ２）等の不活性ガスと、を反応炉内に導入する。
【００３９】
ウェハホルダ３は、円盤状に成型されたα−カーボンからなり、サセプタ４上に載置される。また、ウェハホルダ３は、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成されている。サセプタ４は、加熱ヒータ５からの熱を均等に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成され、回転機構６により回転可能に支持されている。また、サセプタ４の下側にはウェハ２を加熱するための加熱ヒータ５が同心円状に配設されている。
【００４０】
従来の気相成長装置において、ウェハホルダ３には熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的であったが、本実施形態ではα−カーボン製としている。すなわち、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋのグラファイトの代わりに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋのα−カーボンを用いることにより、ウェハホルダ３に配置されるウェハ２の熱伝導率とウェハホルダ３の熱伝導率が近くなるようにした。例えば、ＩｎＰウェハの熱導電率は１４．３Ｗ／ｍ・Ｋであり、α−カーボンの熱導電率の約１．４倍である。
【００４１】
このように、本実施形態では、α−カーボンの熱伝導率は配置されるウェハ２の熱伝導率に近いため、加熱ヒータ５からサセプタ４およびウェハホルダ３を介してウェハ２およびウェハホルダ３の表面に向かう熱伝達経路における総括熱抵抗は同等となるので、ウェハ２表面とウェハホルダ３表面はほぼ同じ温度に到達する。したがって、ウェハ２とウェハホルダ３の表面温度の差によってウェハ周縁部がウェハ中央部よりも温度が高くなるのを回避できるので、ウェハ２の面内温度分布が均一となりやすい。
【００４２】
ガス排気管８は、反応炉１の底面に設置される。ガス導入管７を介して導入口より反応炉１内に導入された原料ガスは、反応炉の上流側で分解され下流側に流れてウェハ２上に薄膜を形成し、未反応の原料ガスはキャリアガスと共に排気口を介してガス排気管８から外部へ排出される。
【００４３】
また、図には示さないが、例えば回転機構６の外周および反応炉の下側壁面外壁には水冷ジャケットが設けられ、これらの水冷ジャケットおよび加熱ヒータ５で反応炉１内の温度を制御するようになっている。
【００４４】
上述した構成をした気相成長装置１００においては、加熱ヒータ５によりサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱が伝わり、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給して薄膜を気相成長させる。このとき、ウェハ２表面とウェハホルダ３表面の温度はほぼ同じとなるので、ウェハ２の面内温度分布は均一となり、均一性に優れた薄膜を気相成長させることができる。
【００４５】
（シミュレーションによる実施の解析例）
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明の特徴とするところを明らかにする。上述した気相成長装置１００において、ウェハ２およびその近傍をモデル化して、有限体積法による３次元熱伝導解析を行った。なお、実施例ではα−カーボン製のウェハホルダ３とし、比較例ではグラファイト製のウェハホルダ３とした。
【００４６】
図４は、本実施例に係る気相成長装置１００のウェハ２およびウェハホルダ３近傍（ウェハの外周より１０ｍｍ）の概略解析モデル図である。図４において、ウェハホルダ３の底面からウェハ２までの距離は２．３ｍｍ、ウェハ２厚さ（ポケット孔３ａ深さ）は０．５ｍｍとした。また、反応炉１内は水素雰囲気とした。また、ウェハ２は内径を５０ｍｍ（２インチ）のＩｎＰウェハとした。
【００４７】
また、解析時のメッシュ数は約６００万メッシュとした。このときのウェハ２とウェハホルダ３との間の接触熱抵抗（Ｒ１ｇ）を２．０×１０−４ｍ２Ｋ／Ｗとした。なお、接触熱抵抗Ｒ１ｇは、接触する部材間の平面度、表面粗さ、物質の熱拡散係数によって影響を受け、接触面間の距離を小さく調整することにより、より小さくすることができる。
さらに、解析条件として、ウェハ２の上方３５ｍｍに位置する仮想境界面に４５℃、ウェハホルダ３境界面（裏面）に６５０℃の境界条件を与えた。
【００４８】
なお、水素は低プラントル数のため熱拡散が粘性拡散よりも優位で、また層流域の比較的低いレイノルズ数域では移流の影響を無視して考えることができるので、本モデルの熱伝導解析では近似的に固体として扱った。
また、本解析では下表１に示す物性値を用いた。
【００４９】
【表１】
【００５０】
図５は本実施例としてα−カーボン製のウェハホルダ３を用いた場合のウェハ２およびウェハホルダ３内部の温度分布を示した解析結果であり、図６は比較例としてカーボン製のウェハホルダ３を用いた場合の解析結果である。また、図７は実施例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果であり、図８は比較例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。なお、図７、図８では、ウェハ中心を０として直径方向の位置における表面温度を示している。
【００５１】
本実施例では、図５に示すように熱流の進行方向（ウェハホルダ３裏面→表面）に大きな温度勾配を示すが、等温線は平坦となっている。これに対して、比較例では、図６に示すように等温線が平坦な分布となっていない。このことから、本実施例の方が熱伝達経路が異なっても同じように熱伝導が行われていることがわかる。また、実施例における熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１は０．５５４であり、比較例における熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１は０．０９１であった。
【００５２】
また、本実施例では、図７に示すようにウェハ表面温度が約６３７．４℃、ウェハホルダ表面温度が約６３９．０℃でその差が約１．６℃であるのに対して、比較例では図８に示すようにウェハ表面温度が約６３８．７℃、ウェハホルダ表面温度が約６４１．０℃でその差が約２．３℃であった。つまり、ウェハ２の周縁部（２２〜２５ｍｍ）の表面温度と中央部（０付近）の表面温度との差は、実施例の方が小さく、ウェハ２の面内温度分布が均一に改善されていることが分かった。
【００５３】
以上説明したように、本実施例では、ウェハ２周縁部の表面温度がウェハホルダ３の表面温度から受ける影響は小さくなくなるので、ウェハ２の面内温度分布を均一に保持することができた。その結果、ウェハ２の面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる。
【００５４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本発明は、ウェハホルダ３の材質を改善することにより、ウェハ２の面内温度分布のばらつきを抑えることができるので、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイア、ガラス、セラミックウェハなどに薄膜を成長させる場合にも有効である。この場合、用いるウェハに応じてウェハホルダ３の材質を変更するようにしてもよい。
【００５５】
また、本発明に係る気相成長装置は、上述した縦型高速回転方式に限定されるものではなく、フェイスダウン方式、横型方式、自公転方式の気相成長装置にも適応できることは言うまでもない。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１を０．４以上１．０以下としたので、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗は同等となる。すなわち、同様の熱流束にしたがって熱伝導が行われるので、ウェハおよびウェハ収容体の表面の到達温度を同じくすることができる。これにより、ウェハ周縁部の表面温度がウェハホルダの表面温度から受ける影響は少なくなるので、ウェハの面内温度分布を一様に保持することができ、その結果、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】ウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。
【図３】ウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図である。
【図４】本実施例に係る気相成長装置１００のウェハ２およびウェハホルダ３近傍の概略解析モデル図である。
【図５】本実施例としてα−カーボン製のウェハホルダを用いた場合のウェハおよびウェハホルダ内部の温度分布を示した解析結果である。
【図６】比較例としてカーボン製のウェハホルダを用いた場合のウェハおよびウェハホルダの温度分布を示した解析結果である。
【図７】実施例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。
【図８】比較例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。
【符号の説明】
１ 反応炉
２ ウェハ
３ ウェハホルダ（ウェハ収容体）
４ サセプタ
５ 加熱ヒータ（加熱手段）
６ 回転機構
７ ガス導入管（ガス供給手段）
８ ガス排気管
１００ 気相成長装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハを加熱しながら高温状態で原料ガスを供給することによりウェハ表面に薄膜を気相成長させるための気相成長装置に係り、特に、ウェハを配置するためのウェハ収容体の材質の特性に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、気相成長法は産業界の様々な分野で利用されている。気相成長においてウェハ上に成長した薄膜の膜厚、組成およびドーピング濃度の面内全域の高均一化はいうまでもなく必須項目である。そして、面内全域の均一化の実現手段として、ウェハ加熱の均熱化は最も重要な要素技術とされている。
【０００３】
図１は、一般的な気相成長装置の構成例を示す断面図である。図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。
【０００４】
図２はウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。ウェハホルダ３は、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成され、反対面でサセプタ４と接触するように構成されている。
【０００５】
なお、サセプタ４は加熱ヒータ５からの熱を均一に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成される。また、ウェハホルダ３にも熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的である。
【０００６】
上述の構成をした気相成長装置においては、加熱ヒータ５でサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱を伝え、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給しながら薄膜の気相成長を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の実験により、上述したような気相成長装置１００においては、ウェハ２の表面温度がウェハホルダ３の表面温度より低くなるため、ウェハ２の周縁部分はウェハホルダ３の温度の影響を受けてウェハ２の中央部分よりも温度が高くなってしまうことが判明した。つまり、従来の気相成長装置１００ではウェハ２の面内温度分布が均一とならないために、ウェハ２の面内全域において均一性に優れた薄膜を気相成長させるのは困難であることが明かとなった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、密閉可能な反応炉（１）と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハ（２）を配置するためのウェハ収容体（３）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（７）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（５）と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容体は、単一の素材もしくは部材からなり、前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにしたものである。
【００１０】
ここで、図３に示すウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図より、熱伝達経路１における熱抵抗Ｒ１は、ウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ１ｃと、ウェハホルダ３とウェハ２との接触熱抵抗Ｒ１ｇと、ウェハ２部分の熱抵抗Ｒ１ｗとを足し合わせた抵抗となり、熱伝達経路２における熱抵抗Ｒ２はウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ２ｃとなる。
【００１１】
これにより、ウェハ収容体の裏面からウェハおよびウェハ収容体の表面へ熱が伝達される際に、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗がほぼ同等となるので、同様の熱伝導が行われ、ウェハおよびウェハ収容体の表面の到達温度を同じくすることができる。したがって、ウェハ表面とウェハ収容体の表面温度に差が生じることによってウェハ周縁部の表面温度がウェハ中央部の表面温度よりも上昇するのを回避でき、ウェハの面内温度分布を均一に保持することができる。その結果、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる。
【００１２】
具体的には、前記ウェハ収容体を、該ウェハ収容体に配置されるウェハの熱伝導率に近い熱伝導率を有する材質で形成するのが望ましい。特に限定しないが、薄膜成長やリアクタ内の雰囲気を汚染しないような特性を有する材料であれば、いかなる材料を用いてウェハ収容体を製作してもよい。例えば、ウェハ収容体をアモルファスカーボン（熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ）や窒化アルミニウム（熱伝導率４０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋ）等は、従来のグラファイト（１００Ｗ／ｍ・Ｋ ａｔ ６００℃）よりもウェハと熱伝導率が近いので収容部を形成する材質として適している。
【００１３】
さらに望ましくは、前記ウェハ収容体を、ウェハの熱伝導率の０．５倍以上２倍以下の熱伝導率を有する材質で形成する。これにより、ウェハ収容体の厚さを厚くすることなく熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができるので、装置の大型化を回避できる。例えば、ＩｎＰウェハの場合、６００℃における熱伝導率が１４．３Ｗ／ｍ・Ｋなので、熱伝導率が７．１５〜２８．６Ｗ／ｍ・Ｋである材質（例えばアモルファスカーボン）でウェハ収容体を形成すればよい。
【００１４】
以下に、本発明を完成するに至った経緯について図３を参照して説明する。
まず、本発明者等は、ウェハ２の表面温度がウェハホルダ３の表面温度より低くなる原因について、ウェハ２およびウェハホルダ３内部における熱伝達経路の違いに着目した。すなわち、一般的にウェハ２とウェハホルダ３の材質は異なり、同様の熱伝達が行われないために、それぞれの表面の到達温度に差が生じると考えた。
【００１５】
図３は、ウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図である。図３において、Ｔｕｐはウェハホルダ３の裏面温度で、Ｔｓｕｒｆはウェハ２またはウェハホルダ３の表面温度で、Ｔｄｏｗｎはウェハ２およびウェハホルダ３表面から所定の距離だけ離れた位置に想定した面（以下、仮想境界面と称する）における温度である。図３に示すように、ウェハ２の表面にはウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３およびウェハ２を通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路１にしたがって熱伝達が行われ、ウェハホルダ３の表面にはウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３を通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路２にしたがって熱伝達が行われる。このように、ウェハ２の表面とウェハホルダ３の表面とでは、それぞれ熱の伝達経路が異なっていることがわかる。
【００１６】
すなわち、図３に示すウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図より、熱伝達経路１における熱抵抗Ｒ１は、ウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ１ｃと、ウェハホルダ３とウェハ２との接触熱抵抗Ｒ１ｇと、ウェハ２部分の熱抵抗Ｒ１ｗとを足し合わせた抵抗となり、熱伝達経路２における熱抵抗Ｒ２はウェハホルダ３部分の熱抵抗Ｒ２ｃとなる。
また、熱抵抗Ｒは下式（１）で与えられる。
【００１７】
【数式１】
これより、熱抵抗Ｒ１、Ｒ２は下式のように表すことができる。
【００１９】
【数式２】
ここで、ウェハ２（ＩｎＰ、ＧａＡｓ等）の熱伝導率ｋ１ｗはウェハホルダ３（グラファイト、モリブデン等）の熱伝導率ｋ２ｃに比べて著しく小さいことからＬｗ／ｋ１ｗ＞Ｌｗ／ｋ２ｃとなるうえ、ウェハ２とウェハホルダ３との接触面では接触熱抵抗Ｒ１ｇが生じるので、明らかにＲ１よりもＲ２のほうが小さくなる。
【００２１】
【数式３】
また、熱伝達は、熱伝達経路における熱流束に支配される。一般に、熱流束とは単位面積（単位：ｍ２）を流れるエネルギー（熱流）量であり、下式（５）で与えられる。
【００２３】
【数式４】
また、図３において熱伝達経路１，２における総括熱抵抗Ｒ１ｔｏｔａｌ ，Ｒ２ｔｏｔａｌは下式で表される。
【００２５】
【数式５】
上式（４）、（６）、（７）よりＲ１ｔｏｔａｌ＞Ｒ２ｔｏｔａｌとなる。したがって、熱伝達経路１における熱流束ｑ１は熱伝達経路２における熱流束ｑ２よりも小さくなる。
【００２７】
【数式６】
また、熱流束ｑ１，ｑ２は、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆ、ウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆを用いて下式のように表すことができる。
【００２９】
【数式７】
上式（８）、（９）、（１０）より、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆがウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆよりも低くなることが導き出される。
【００３１】
【数式８】
このように、従来の気相成長装置においては、ウェハ２とウェハホルダ３の熱伝導率が大きく異なるために、上述のように表面温度Ｔ１ｓｕｒｆ、Ｔ２ｓｕｒｆに差が生じることがわかった。
【００３３】
一方、上式（５）〜（１０）より、ウェハ２の表面温度Ｔ１ｓｕｒｆとウェハホルダ３の表面温度Ｔ２ｓｕｒｆの差を小さくするためには、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗Ｒ１とＲ２を同等とすればよい（すなわち、熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づける）。具体的には、式（２）、（３）より、ウェハ２の熱伝導率ｋ１ｗとウェハホルダ３の熱伝導率ｋ２ｃを同等とすることで、熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができる。
【００３４】
本発明は、上記知見をもとに完成するに至ったものであり、気相成長装置において、ウェハホルダ３裏面からウェハ２表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１とウェハホルダ３裏面からウェハホルダ３表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下となるようにしたものである。
【００３５】
また、上式（２）、（３）においてＬｃの値を大きくすることによっても熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１を１に近づけることができるが、温度制御上、装置の有効空間上、コスト上の問題から実現は困難であるため、具体的な方策として、ウェハホルダ３の材質をウェハ２の熱伝導率と近い熱伝導率を有する材質とした。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。従来技術で示した気相成長装置と概略構成は同じである。ウェハ収容体としてのウェハホルダ３の材質を、従来技術ではグラファイト等の熱伝導率が高い材質としていたのを、本実施形態ではアモルファスカーボン（以下、α−カーボンと略記する）としている点が異なる。
【００３７】
図１に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３およびサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。
【００３８】
この気相成長装置１００の各壁体は例えばステンレスで構成される。また、ガス導入管７は上側壁体中央部に設置され、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の第１３（３Ｂ）族原料ガスと、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）等の第１５（５Ｂ）族原料ガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ２）等の不活性ガスと、を反応炉内に導入する。
【００３９】
ウェハホルダ３は、円盤状に成型されたα−カーボンからなり、サセプタ４上に載置される。また、ウェハホルダ３は、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成されている。サセプタ４は、加熱ヒータ５からの熱を均等に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成され、回転機構６により回転可能に支持されている。また、サセプタ４の下側にはウェハ２を加熱するための加熱ヒータ５が同心円状に配設されている。
【００４０】
従来の気相成長装置において、ウェハホルダ３には熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的であったが、本実施形態ではα−カーボン製としている。すなわち、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋのグラファイトの代わりに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋのα−カーボンを用いることにより、ウェハホルダ３に配置されるウェハ２の熱伝導率とウェハホルダ３の熱伝導率が近くなるようにした。例えば、ＩｎＰウェハの熱導電率は１４．３Ｗ／ｍ・Ｋであり、α−カーボンの熱導電率の約１．４倍である。
【００４１】
このように、本実施形態では、α−カーボンの熱伝導率は配置されるウェハ２の熱伝導率に近いため、加熱ヒータ５からサセプタ４およびウェハホルダ３を介してウェハ２およびウェハホルダ３の表面に向かう熱伝達経路における総括熱抵抗は同等となるので、ウェハ２表面とウェハホルダ３表面はほぼ同じ温度に到達する。したがって、ウェハ２とウェハホルダ３の表面温度の差によってウェハ周縁部がウェハ中央部よりも温度が高くなるのを回避できるので、ウェハ２の面内温度分布が均一となりやすい。
【００４２】
ガス排気管８は、反応炉１の底面に設置される。ガス導入管７を介して導入口より反応炉１内に導入された原料ガスは、反応炉の上流側で分解され下流側に流れてウェハ２上に薄膜を形成し、未反応の原料ガスはキャリアガスと共に排気口を介してガス排気管８から外部へ排出される。
【００４３】
また、図には示さないが、例えば回転機構６の外周および反応炉の下側壁面外壁には水冷ジャケットが設けられ、これらの水冷ジャケットおよび加熱ヒータ５で反応炉１内の温度を制御するようになっている。
【００４４】
上述した構成をした気相成長装置１００においては、加熱ヒータ５によりサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱が伝わり、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給して薄膜を気相成長させる。このとき、ウェハ２表面とウェハホルダ３表面の温度はほぼ同じとなるので、ウェハ２の面内温度分布は均一となり、均一性に優れた薄膜を気相成長させることができる。
【００４５】
（シミュレーションによる実施の解析例）
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明の特徴とするところを明らかにする。上述した気相成長装置１００において、ウェハ２およびその近傍をモデル化して、有限体積法による３次元熱伝導解析を行った。なお、実施例ではα−カーボン製のウェハホルダ３とし、比較例ではグラファイト製のウェハホルダ３とした。
【００４６】
図４は、本実施例に係る気相成長装置１００のウェハ２およびウェハホルダ３近傍（ウェハの外周より１０ｍｍ）の概略解析モデル図である。図４において、ウェハホルダ３の底面からウェハ２までの距離は２．３ｍｍ、ウェハ２厚さ（ポケット孔３ａ深さ）は０．５ｍｍとした。また、反応炉１内は水素雰囲気とした。また、ウェハ２は内径を５０ｍｍ（２インチ）のＩｎＰウェハとした。
【００４７】
また、解析時のメッシュ数は約６００万メッシュとした。このときのウェハ２とウェハホルダ３との間の接触熱抵抗（Ｒ１ｇ）を２．０×１０−４ｍ２Ｋ／Ｗとした。なお、接触熱抵抗Ｒ１ｇは、接触する部材間の平面度、表面粗さ、物質の熱拡散係数によって影響を受け、接触面間の距離を小さく調整することにより、より小さくすることができる。
さらに、解析条件として、ウェハ２の上方３５ｍｍに位置する仮想境界面に４５℃、ウェハホルダ３境界面（裏面）に６５０℃の境界条件を与えた。
【００４８】
なお、水素は低プラントル数のため熱拡散が粘性拡散よりも優位で、また層流域の比較的低いレイノルズ数域では移流の影響を無視して考えることができるので、本モデルの熱伝導解析では近似的に固体として扱った。
また、本解析では下表１に示す物性値を用いた。
【００４９】
【表１】
図５は本実施例としてα−カーボン製のウェハホルダ３を用いた場合のウェハ２およびウェハホルダ３内部の温度分布を示した解析結果であり、図６は比較例としてカーボン製のウェハホルダ３を用いた場合の解析結果である。また、図７は実施例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果であり、図８は比較例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。なお、図７、図８では、ウェハ中心を０として直径方向の位置における表面温度を示している。
【００５１】
本実施例では、図５に示すように熱流の進行方向（ウェハホルダ３裏面→表面）に大きな温度勾配を示すが、等温線は平坦となっている。これに対して、比較例では、図６に示すように等温線が平坦な分布となっていない。このことから、本実施例の方が熱伝達経路が異なっても同じように熱伝導が行われていることがわかる。また、実施例における熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１は０．５５４であり、比較例における熱抵抗比Ｒ２／Ｒ１は０．０９１であった。
【００５２】
また、本実施例では、図７に示すようにウェハ表面温度が約６３７．４℃、ウェハホルダ表面温度が約６３９．０℃でその差が約１．６℃であるのに対して、比較例では図８に示すようにウェハ表面温度が約６３８．７℃、ウェハホルダ表面温度が約６４１．０℃でその差が約２．３℃であった。つまり、ウェハ２の周縁部（２２〜２５ｍｍ）の表面温度と中央部（０付近）の表面温度との差は、実施例の方が小さく、ウェハ２の面内温度分布が均一に改善されていることが分かった。
【００５３】
以上説明したように、本実施例では、ウェハ２周縁部の表面温度がウェハホルダ３の表面温度から受ける影響は小さくなくなるので、ウェハ２の面内温度分布を均一に保持することができた。その結果、ウェハ２の面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる。
【００５４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本発明は、ウェハホルダ３の材質を改善することにより、ウェハ２の面内温度分布のばらつきを抑えることができるので、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイア、ガラス、セラミックウェハなどに薄膜を成長させる場合にも有効である。この場合、用いるウェハに応じてウェハホルダ３の材質を変更するようにしてもよい。
【００５５】
また、本発明に係る気相成長装置は、上述した縦型高速回転方式に限定されるものではなく、フェイスダウン方式、横型方式、自公転方式の気相成長装置にも適応できることは言うまでもない。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１を０．４以上１．０以下としたので、それぞれの熱伝達経路における熱抵抗は同等となる。すなわち、同様の熱流束にしたがって熱伝導が行われるので、ウェハおよびウェハ収容体の表面の到達温度を同じくすることができる。これにより、ウェハ周縁部の表面温度がウェハホルダの表面温度から受ける影響は少なくなるので、ウェハの面内温度分布を一様に保持することができ、その結果、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】ウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。
【図３】ウェハ２とウェハホルダ３における熱抵抗概念図である。
【図４】本実施例に係る気相成長装置１００のウェハ２およびウェハホルダ３近傍の概略解析モデル図である。
【図５】本実施例としてα−カーボン製のウェハホルダを用いた場合のウェハおよびウェハホルダ内部の温度分布を示した解析結果である。
【図６】比較例としてカーボン製のウェハホルダを用いた場合のウェハおよびウェハホルダの温度分布を示した解析結果である。
【図７】実施例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。
【図８】比較例におけるウェハ２とウェハホルダ３の表面温度分布を示した解析結果である。
【符号の説明】
１ 反応炉
２ ウェハ
３ ウェハホルダ（ウェハ収容体）
４ サセプタ
５ 加熱ヒータ（加熱手段）
６ 回転機構
７ ガス導入管（ガス供給手段）
８ ガス排気管
１００ 気相成長装置
Claims (3)
- 密閉可能な反応炉と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハを配置するためのウェハ収容体と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段と、前記ウェハを加熱するための加熱手段と、を少なくとも備え、
前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、
前記ウェハ収容体は、単一の素材もしくは部材からなり、
前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ１と前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ１が０．４以上１．０以下であることを特徴とする気相成長装置。 - 前記ウェハ収容体は、配置されるウェハの熱伝導率の０．５倍以上２倍以下の熱伝導率を有する材質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
- 前記ウェハ収容体は、アモルファスカーボンで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
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