JP2007095923A - 半導体結晶の成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径の基板を多数同時に処理することが可能であるとともに、構造が簡単で、反応室内の断熱性も十分で処理時間の短縮化が図れ、しかも結晶膜の純度も良好で、得られた結晶のばらつきも可及的に少なくすることができる半導体結晶の成長装置を提供する。
【解決手段】縦型に配置され、限定された空間Ｓ内に反応ガスが導入されるガス供給管５２と、ガス供給管５２の外周面に配置される誘導加熱手段５４と、誘導加熱手段５４と対向するように前記ガス供給管５２の内周側に配置され、ガス導入口７４とガス排出口７６がそれぞれ対向する側壁面に形成された有底筒構造の輻射部材５６と、輻射部材５６の内方に挿入された軸５９に一体的に支持され、略水平方向に複数の基板を載置できるように棚状に構成されたサセプタ構成部材５８と、サセプタ構成部材５８を支持する軸５９に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段６０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンカーバイドなどの半導体結晶の成長装置に関する。

シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界強度が約１０倍であり、この他に熱伝導率、電子移動度、バンドギャップなどにおいても優れた物性値を有する半導体であることから、従来のシリコン系パワー半導体素子に比べて飛躍的な性能向上を実現する半導体材料として期待されている。

従来の半導体用シリコンカーバイドの結晶成長を行なう成長装置としては、例えば図３に示すいわゆる横型結晶成長装置１００のように、単結晶基板１０１を支持する筒状の基板支持台（以下、サセプタと呼ぶ）１０２を供給管１０４と同方向に設置したものがある。そして、サセプタ１０２の内周部の底面１０２ｂ上に単結晶基板１０１が載置され、サセプタ１０２を誘導加熱する誘導コイル１０５が供給管１０４の周囲に設置されている。

そして、誘導コイル１０５によりサセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を１５００℃程度に加熱するとともに反応ガス１０３を矢印方向に供給することにより、単結晶基板１０１の表面に反応ガス１０３の成分元素あるいは化合物を連続的に析出成長させ、単結晶薄膜を成膜している。

ところで、このような結晶成長装置１００では、サセプタ１０２は筒状で反応ガス１０３の流れ方向に平行に配置されているため、サセプタ１０２が誘導加熱されると、このサセプタ１０２が最も高温になる。すると、その高温時にサセプタ１０２の表面が反応ガス１０３あるいはキャリアガスによりエッチングされることがある。このようなサセプタ表面のエッチングは、サセプタからの不純物放出の要因となって、形成された単結晶膜の純度を下げてしまう。また、このサセプタ１０２の表面のエッチング作用は、サセプタ１０２の温度が高くなるにつれて顕著になるので、特に、高温（１５００℃以上）かつ長時間の反応が必要となる膜厚の厚いシリコンカーバイド単結晶膜の成長を阻害するという問題があった。

一方、単結晶基板１０１は高温のサセプタ１０２からの伝熱により加熱されるので、温度上昇に伴って単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向がある。この単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差は、サセプタ１０２のコーティング膜の寿命を短縮させる要因という問題があった。

また、このような横置き型の結晶成長装置１００では、基板を一回で処理できる数には限界があり、処理枚数の増加あるいは基板の大口径化をさせるには装置全体を大型化しなければならないという問題があった。しかしながら、装置を大型化すると、反応ガス１０３の流速の均一性が確保し難く、結果として得られた結晶にばらつきが生じるという問題が発生する。

そこで、一度に多量の基板を処理することができるように、図４に示したように、ガス供給管を縦型に配置したものも提供されている（特許文献２）。
この半導体結晶の成長装置１０では、供給管１１が縦型に配置され、その外周に誘導加熱装置２６が配置されている。そして、第１の隔壁１８と第２の隔壁２２とで断面矩形状に画成された内室１２内に基板保持治具３０が収容され、この基板保持治具３０の各段に基板３２が配置されている。

また、いわゆるパンケーキ型の気相成長装置も知られている（特許文献３、特許文献４）
これらパンケーキ型の成長装置では、ペルジャと称されるドーム状の空間内にサセプタが配置される。
特開２００１−１２２６９２号公報 特開平９−３３０８８４号公報 特開２０００−１７５９９５号公報 特開平７−４５５３０号公報

ところで、特許文献２の成長装置１０では、装置本体の下方から反応ガスを導入するとともに同方向から反応ガスを排出するため、内室１２内でのガスの流速及び流量に違いが生じ、得られた結晶の厚みにばらつきが生じるという問題があった。

加えて、特許文献２の成長装置１０では、ガスの導入および排出は、ノズルなどを用いて行なっているため、部品点数が多くなるとともに、構造が煩雑になるという問題もあった。

また、従来の成長装置１０、１００では、供給管１１、１０４の断熱性が十分でなく、反応室の保熱性が損なわれ、そのため反応室内の温度分布の均質性が保ち難い（特にＳｉＣのような高温加熱を必要とする場合）。その結果、得られる結晶の品質にばらつきが生じるという問題がある。さらには、一度下がった温度を上昇させるための時間およびエネルギーが余分にかかるという問題があった。

また、特許文献３及び特許文献４のパンケーキ型は、図３に示した成長装置１００に比べると、一度に処理できる基板の枚数は増えるものの、やはり限界があり、また大口径の基板を処理するには特に、横方向への大型化が必要とされる上、結晶膜の品質の均一化が損なわれるなどの問題を有している。

本発明は、このような実情に鑑み、大口径の基板を多数同時に処理することが可能であるとともに、構造が簡単で、反応室内の断熱性及び温度分布の均質性も十分で処理時間の短縮化が図れ、しかも結晶膜の純度も良好で、得られた結晶のばらつきも可及的に少なくすることができる半導体結晶の成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体結晶の成長装置は、
縦型に配置され、限定された空間内に反応ガスが導入されるガス供給管と、
前記ガス供給管の外周面に配置される誘導加熱手段と、
前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口がそれぞれ対向する側壁面に形成された有底筒構造の輻射部材と、
前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に複数の基板を載置できるように棚状に構成されたサセプタ構成部材と、
前記サセプタ構成部材を支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えたことを特徴としている。

このような構成による本発明によれば、誘導加熱により加熱される輻射部材が有底筒構造となっているので、輻射部材の外側をガス通路として構成することができる。よって、ガス導入のためにノズルなどの部材が不要となり、部品点数を少なくすることができる。

さらに、サセプタ構成部材は棚状に構成され、ガス供給管の内側に略全体に広がるように配置することができるので、装置全体をそれ程大型にしなくても、大口径の基板の処理を行なうことができる。

さらに、前記反応ガスは、前記輻射部材の外側を通り、軸方向に進んだ後、前記ガス導入口からサセプタ構成部材の内部に向かって略水平方向に供給され、その後、前記ガス排出口から輻射部材の外側を通って軸方向に送給されるので、結晶の均一化に寄与することができる。

また、本発明では、前記ガス供給管と前記輻射部材との間には、内側断熱材が介在されていることが好ましい。
このような構成であれば、外周部分での断熱性を向上させることができる。
さらに、前記輻射部材の上部に、上方断熱材が移動不能に設置されていることが好ましい。

このような構成であれば、輻射部材の上部での断熱性を向上させることができる。
さらに、本発明では、前記サセプタ構成部材と前記軸との間には、下方断熱部材が設置され、この下方断熱部材を介して前記サセプタ構成部材が前記軸に支持されていることが好ましい。

このような構成であれば、装置全体をコンパクトにしつつ下部の断熱性を向上させることができる。
また、本発明では、前記下方断熱部材は、複数の反射板が多段に載置されたものであることが好ましい。

このような構成によれば、輻射熱を反射板で反射させることができる。さらに、複数の反射板を単に、多段に載置して構成するので、反射板の設置が簡便であるとともに、断熱性が極めて良好に発揮される。これにより、反応室の温度分布の均質化を図ることができる。また、反射板の数を変更することにより、断熱効果を容易に調節することができる。

さらに、本発明では、前記ガス供給管には、減圧手段が接続されていることが好ましい。
このような構成であれば、結晶の成長に不純物が混入せず、より均一な結晶膜を成長させることができる。

また、前記反応ガスは、軸方向上部あるいは下部のいずれか一方から導入され、いずれか他方から排出されることが好ましい。
このような構成であれば、反応ガスの流量、流速に違いがでることが少なくなる。

本発明に係る半導体の結晶装置によれば、輻射部材の外側を利用して反応ガスを流すことができるので、ノズルなどのガス導入のための部材が不要であり、構造がコンパクトである。また、大型の基板を多数枚同時に処理することができる。さらに、反応が行なわれる空間は、周囲が断熱材により覆われているので、保熱効果が高く、熱エネルギーを有効に用いることができる。また、下方断熱部材は、その断熱性の調整が容易であるので、好ましい断熱性を付与することができる。

また、上部と下部で反応ガスの流速を略一定に保つことができるとともに、サセプタ構成部材を回転させることができるので結晶の均一化を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例に係る半導体結晶の成長装置の一部を示したものである。なお、本明細書において、「上」「下」「右」「左」などは、説明の都合上便宜的に用いたもので、「上」とは図１において紙面の上を、「右」とは図１において紙面の右を示しているが、上下左右逆転した状態に配置することも可能である。

すなわち、この結晶の成長装置５０は、略筒状のガス供給管５２と、ガス供給管５２の外周面に配置される誘導加熱手段５４と、誘導加熱手段と対向するようにガス供給管５２の内周面に配置された有底筒状の輻射部材５６と、輻射部材５６の内方に挿入された軸５９と、軸５９に支持され略水平方向に複数の基板を載置できるように棚状に構成されたサセプタ構成部材５８と、軸５９に回転力および直線移動力を付与する動力手段６０と、を有している。

さらに、本実施例では、略筒状のガス供給管５２と輻射部材５６との間に内側断熱材６２が、輻射部材５６の上部に上方断熱材６４が、サセプタ構成部材５８と軸５９との間に下方断熱部材６６が、それぞれ設置されている。

上記ガス供給管５２は、誘導加熱されないように、具体的には石英管により形成され縦型に配置されているが、図外の上下端面は密閉されることにより、内部に限定した空間Ｓを構成している。

上記誘導加熱手段５４は、より具体的には交流電流により磁界を発生する誘導コイルである。
上記輻射部材５６は、外側の誘導加熱手段５４により誘導加熱されるもので、例えば、表面がシリコンカーバイドにより被覆された導電性材料から構成されている。本実施例の輻射部材５６は、有底二重筒構造で、上下逆転した姿勢、すなわち、底部分が天井面７２を構成するように配置されている。このように、本実施例では、輻射部材５６が二重の円筒状に形成されているので、空間Ｓ内を略均等に加熱することが促進される。なお、この輻射部材５６は、単に円筒体であっても良く、二重構造の筒体に限定されるものではない。

天井面７２は、グラファイト材からなるもので、環状の内側筒６８と環状の外側筒７０とを互いに連結して天板面を略閉塞しているが、図１において左側の天井面外周部領域には、開口７２ａが形成され、この開口７２ａは内部の空間Ｓに連通している。これにより、図の左側の開口７２ａから供給された反応ガスは、図中矢印で示したように二重筒６８，７０間の隙間を上下方向に案内される。一方、天井面７２の図１において右側の外周部領域は、天井面７２の一部を構成する天井板部７２ｂにより閉じられている。

さらに、輻射部材５６の高さ方向の略中間位置には、上方から流れてくる反応ガスの流れ向きを変更するガス導入口７４が内側筒６８に形成され、これと反対側の内側筒６８には、ガス排出口７６が形成されている。なお、このようなガス導入口７４およびガス排出口７６は、図の左方および図の右方から見れば、略矩形状に形成されたものであるが、ガス導入口７４およびガス排出口７６の形状はこれに限定されない。例えば、窓のように大きな矩形状でなくても、同じ窓枠の範囲に、小孔を多数個、列状に設け、これらの小孔によりガス導入孔７４およびガス排出口７６を構成するようにしても良い。

また、ガス導入口７４の下方付近では、内側筒６８と外側筒７０との間がフランジ７８で略閉塞されている。これにより、上方から下方に向かって流れてくる反応ガスは、フラ
ンジ７８を越えて不用意に下方に流れることはなく、その多くは水平方向に導出される。一方、ガス排出口７６側の出口付近では、反応ガスが積極的に下方に排出できるように、フランジ７８に開口７８ａ、７８ｂがそれぞれ形成されている。

したがって、輻射部材５６にこのようなガス導入口７４、ガス排出口７６が形成されることにより、ガス供給管５２内に供給された反応ガスは、図中、矢印で示したように、上方から下方、さらに水平方向に流れ、その後下方に向かって流れることになる。

上記軸５９は、動力手段６０からの力により、サセプタ構成部材５８に回転力と軸方向への直線移動力を付与することができる。したがって、実際の駆動中においては、動力手段６０により軸５９に回転力を付与すれば、サセプタ構成部材５８内の基板が回転するので、結晶成長の均一化を促進することができる。

また、本実施例の成長装置５０では、軸５９の先端部に多数の反射板６６ａからなる下方断熱部材６６が設置され、この下方断熱部材６６を介してサセプタ構成部材５８が軸５９に一体的に設置されている。

上記サセプタ構成部材５８は、図示しない円盤状の基板を載置または止め具などを用いて裏面に固定できるように棚状に構成されたもので、実施例では８個の棚板５８ａ，５８ａ、５８ａ…から構成されている。なお、これらの棚板５８ａ，５８ａ間は、複数本のピン部材などで、所定間隔置きに位置決めされて一体化されている。さらに、最下端の棚板５８ａ’は、最上位の反射板６６ａ’に一体化されている。

したがって、本実施例では、軸５９が動力手段６０からの力により、例えば直線移動すれば、サセプタ構成部材５８も反射板６６ａからなる下方断熱部材６６とともに直線移動し、軸５９が回転すればサセプタ構成部材５８も下方断熱部材６６とともに回転移動する。

下方断熱部材６６は空間Ｓの断熱性及び温度分布の均質性を向上させるものである。具体的には、複数の略お盆形状（有底筒形状）の反射板６６ａを上下方向に重ね合わせて構成されている。したがって、下部断熱部材６６の内部の空気層ａは密閉されているわけではなく、炉の運転中における空気層ａ内は、減圧雰囲気あるいは真空に近い状態に維持される。

このような下方断熱部材６６によれば、積層する反射板６６ａの数を適宜増減することにより、断熱性能を容易に調整することができる。
一方、輻射部材５６の天井面７２の上部に配置された上方断熱材６４は、炭素繊維などからなるもので、輻射部材５６の天井面７２に固定的に設けられている。

また、ガス供給管５２の内周面に配置された内側断熱材６２は、炭素繊維またはガラスウールなどからなるもので、輻射部材５６の外周側を断熱している。
このように本実施例による結晶の成長装置５０では、上方が上方断熱材６４で断熱され、外周面が内側断熱材６２で断熱され、下部側が下方断熱部材６６で断熱されているので、空間Ｓの保熱性が極めて良好である。

さらに、本実施例では、空間Ｓに図示しない減圧手段が接続されており、この減圧手段により所定の圧力に減圧することが可能にされている。
以下、本実施例による結晶の成長装置５０の作用について、図２を参照しながら説明する。

今、図２（Ａ）の状態でサセプタ構成部材５８の各棚板５８ａには複数の基板、例えば、シリコンカーバイド基板が略水平状態に並べられている。そして、基板が並べられたサセプタ構成部材５８が、反射板６６ａからなる下方断熱部材６６の上に一体的でかつ着脱自在に取付けられている。また、空間Ｓ内は上記減圧手段により所定の圧力に減圧されている。

このように減圧された空間Ｓ内にサセプタ構成部材５８が図２（Ａ）のようにセットされたら、図外の誘導加熱手段５４に高周波電力を印加することにより、輻射部材５６を誘導加熱し、複数の基板を例えば１５００℃に加熱する。これにより、基板上にエピタキシャル層を成長させることが可能になる。

そして、図の上方側からガス供給管５２内に所定の反応ガスを導入し、さらにその反応ガスを開口７２ａから二重筒内に導入し、さらにガス導入口７４を介して反応ガスを水平方向に導くことによりサセプタ構成部材５８内に導入し、図示しない基板の表面に反応ガスを供給する。これにより、結晶の成長が行なわれる。
なお、反応ガスとしてはモノシランおよびプロパンなどを例示することができる。

こうして、一回の処理によるエピタキシャル層の形成が完了したら、図２（Ｂ）に示したように、ガス供給管５２の下端を開放し、軸５９を下方向に移動し、軸５９とともにサセプタ構成部材５８を成長装置５０の外方に取り出す。この状態から、サセプタ構成部材５８に収納された基板を新たなものと入れ替える。なお、この入れ替え作業を行なう場合に、誘導加熱手段５４を継続して駆動しておき輻射部材５６を加熱しておくことが好ましい。このようにすれば、空間Ｓ内の温度を高温状態に維持することができる。

次いで、図２（Ｃ）に示したように、再び軸５９を上動させ再びセットする。
このようにすれば、成長装置全体の温度を上げ下げする必要がないので、昇温時間の短縮化が図れる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。例えば、上記実施例では、上方から反応ガスを導入し、下方から反応ガスを排出するようにしているが、逆の態様で設置することもできる。

さらに上記実施例では、軸５９を回転可能にし、これによりサセプタ構成部材５８を稼動中に回転可能にしているが、サセプタ構成部材５８は回転させなくても良い。要は、周囲が断熱された空間Ｓ内に軸方向に反応ガスを供給し、その後、水平方向に反応ガスを流した後、基板表面に接触させ、この状態でエピタキシャル層を成長させれば良い。

図１は本発明の一実施例による半導体結晶の成長装置を示した要部断面図である。 図２は図１の成長装置における作業工程を順番に示した概略図で、図２（Ａ）はエピタキシャル層の成長工程時の概略図、図２（Ｂ）は基板を入れ替えるときの概略図、図２（Ｃ）は再びエピタキシャル層を成長させるためにセットしたときの概略図である。 図３は特開２００１−１２２９２号公報に開示された従来の半導体結晶の成長装置の断面図である。 図４は特開平９−３３０８８４号公報に開示された従来の半導体結晶の成長装置の断面図である。

符号の説明

５０ 結晶装置
５２ ガス供給管
５４ 誘導加熱手段
５６ 輻射部材
５８ サセプタ構成部材
５８’ 棚板
５９ 軸
６０ 動力手段
６２ 内側断熱材
６６ 下方断熱部材
６８ 内側筒
７０ 外側筒
７２ 天井面
７４ ガス導入口
７６ ガス排出口
７８ａ 開口
ａ 空気層
Ｓ 空間

Claims (8)

1. 縦型に配置され、限定された空間内に反応ガスが導入されるガス供給管と、
   前記ガス供給管の外周面に配置される誘導加熱手段と、
   前記誘導加熱手段と対向するように前記ガス供給管の内周側に配置され、ガス導入口とガス排出口がそれぞれ対向する側壁面に形成された有底筒構造の輻射部材と、
   前記輻射部材の内方に挿入された軸に一体的に支持され、略水平方向に複数の基板を載置できるように棚状に構成されたサセプタ構成部材と、
   前記サセプタ構成部材を支持する軸に回転力および直線方向への移動力を付与する動力手段と、を備えたことを特徴とする半導体結晶の成長装置。
2. 前記反応ガスは、前記輻射部材の外側を通り、軸方向に進んだ後、前記ガス導入口からサセプタ構成部材の内部に向かって略水平方向に供給され、その後、前記ガス排出口から前記内側筒の外側を通って軸方向に送給されることを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶の成長装置。
3. 前記ガス供給管と前記輻射部材との間には、内側断熱材が介在されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶の成長装置。
4. 前記輻射部材の上部に、上方断熱材が移動不能に設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体結晶の成長装置。
5. 前記サセプタ構成部材と前記軸との間には、下方断熱部材が設置され、この下方断熱部材を介して前記サセプタ構成部材が前記軸に支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体結晶の成長装置。
6. 前記下方断熱部材は、複数の反射板が多段に載置されたものであることを特徴とする請求項５に記載の半導体結晶の成長装置。
7. 前記ガス供給管には、減圧手段が接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体結晶の成長装置。
8. 前記反応ガスは、軸方向上部あるいは下部のいずれか一方から導入され、いずれか他方から排出されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに半導体結晶の成長装置。

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