JP2009295784A - 基板加熱装置およびこれを用いる結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い結晶成長温度が必要とされる結晶成長装置に適しかつ２インチ以上の大きな基板の結晶成長に適する基板加熱装置およびこれを用いる結晶成長装置を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、平板ヒータの外周に沿ってこれの外側に外周を囲むように無底箱型ヒータを設け、その側面が平板ヒータの厚さより大きい所定の幅を持っていることで、平板ヒータの最外周の抜熱による発生熱量を補充できる大きな熱量を最外周に隣接して発生することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、基板加熱装置およびこれを用いる結晶成長装置に関し、詳しくは、高温加熱環境下において、サファイア基板、シリコンカーバイト基板などの基板上に半導体結晶（ＡｌＧａＮやＡｌＮ、ＧａＮ等）をヘテロエピタキシャル成長させるＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法等による結晶成長装置、特に、より高い結晶成長温度が必要とされる結晶成長装置に適し、また、２インチ以上の大きな基板結晶の成長に適し、さらにはサセプタとの間に均熱板を設けなくても済み、効率的な加熱ができるような基板加熱装置に関する。

ＭＯＶＰＥ法による結晶成長装置、ＨＶＰＥ法による結晶成長装置にあっては、例えば、サセプタの上に基板を水平に載置し、上部から原料ガスを流し込んで基板上に単結晶を成長させる。この場合に、特に中心部から周辺部に渡って成長結晶の均一性を確保しなければならず、そのためには、サセプタ上の基板の温度を１２００°Ｃ以上の高温でかつ均一な温度に保持なければならない。
しかも、窒化物系材料を使用して結晶を成長させる場合には、結晶成長温度がより高くなるので基板加熱装置に大きな電力を供給しなければならなくなる。しかし、サセプタの加熱温度が高くなればなるほど、加熱装置の端部から逃げる熱（抜熱）が大きくなり、その分、均一な温度での基板加熱が難しくなる問題がある。
そこで、サセプタの加熱温度を高くした場合の大きな電力の供給問題を解決するものとして、サセプタの背面に平面ヒータを二重に設けて、２枚の平面ヒータを直列接続してサセプタを加熱する結晶成長装置が公知である（特許文献１）。
特開２００７−２５０８１６号公報

この種の結晶成長装置におけるサセプタに要求される温度は、１２００°Ｃ以上であり、平面ヒータでサセプタの加熱を行うと高温である分、抜熱が大きくなる。そのため、特許文献１では二重に平面ヒータを設けて抜熱分を補っているが、基板の径が２インチ程度と小さい場合には、サセプタの加熱面積自体が小さいので抜熱も少なく、高い温度を維持できるが、基板の径が３インチ乃至５インチと大きくなると、その分、サセプタを加熱する基板加熱装置は、端部から抜熱が大きくなる。そのため、特許文献１のような二重化平面ヒータでは高温でのサセプタの温度均一化しは難くなる問題がある。
また、二重化平面ヒータの構造は、後ろのヒータが前のヒータを加熱するものとなるので、直列接続したとしても電力効率が落ちる欠点がある。そのため、基板の径が３インチ乃至５インチと大きくなるとサセプタを加熱する基板加熱装置の電力効率が問題となる。
さらに、基板の径が３インチ乃至５インチと大きくなると、それに対応してサセプタの周辺部が拡大して周辺部の熱の平均化が難しくなるのでサセプタと基板加熱装置との間に挿入する均熱板の役割も大きくなる。この点でもサセプタ加熱に対する電力の効率が落ちてくる。
一方、基板より大きな径のサセプタを使用してサセプタの内側の、均一化した温度分布の個所を使用することも可能であるが、そのようにすると、サセプタと基板加熱装置が大型化し、さらに電力効率は落ちる問題が生じる。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、高い結晶成長温度が必要とされる結晶成長装置に適しあるいは２インチ以上の大きな基板の結晶成長に適する基板加熱装置およびこれを用いる結晶成長装置を提供することにある。
この発明の他の目的は、サセプタとの間に均熱板を設けなくても済み、効率的な加熱ができる基板加熱装置およびこれを用いる結晶成長装置を提供することにある。

このような目的を達成するためのこの発明の基板加熱装置および結晶成長装置の特徴は、サセプタに載置された基板をサセプタの背面に設けられたヒータによりサセプタを介して加熱する基板加熱装置において、
ヒータが、平板ヒータと、これの外周に沿ってこれの外側に外周を囲むように設けられ側面の高さが平板ヒータの厚さより大きい無底箱型ヒータとを有し、無底箱型ヒータにより平板ヒータの外周を加熱することで平板ヒータの端部から逃げる熱量を補充するものである。

このように、この発明にあっては、平板ヒータの外周に沿ってこれの外側に外周を囲むように無底箱型ヒータを設け、その側面の高さが平板ヒータの厚さより大きいことで、平板ヒータの最外周の抜熱による発生熱量を補充できる大きな熱量を平板ヒータの最外周ヒータに隣接して発生させることができる。
この場合、無底箱型ヒータは、側面方向に距離を稼ぐことができるので、平板ヒータの外周の円形パターンヒータよりも発熱量を大きく採ることが可能になる。これにより、加熱装置の最外径を大きく増加させないで大きな熱量を発生させて平板ヒータの最外周ヒータまでの間の加熱の均一化を図ることができる。しかも、その発熱量は、電力供給量のほかに、側面高さでも調整ができる。
したがって、基板の径が３インチ乃至５インチと大きくなっても、抜熱に対応する量の熱量を無底箱型ヒータにより補うことで、２インチ以上の大きな基板の結晶成長装置にあっても１２００°Ｃ以上において均一なあるいは直線上に傾斜した高い加熱温度を確保することができる。
また、基板加熱装置自体の加熱量を均一化できるので、均熱板を介すことなくサセプタを直接加熱することも可能になり、基板が大型化しても効率的な加熱が可能になる。
その結果、より高い結晶成長温度が必要とされる結晶成長装置に適しかつ２インチ以上の大きな基板の結晶成長装置に適する効率的な加熱の基板加熱装置あるいは結晶成長装置を実現することがでる。

図１は、この発明を適用した基板加熱装置の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面からみた基板加熱装置の部分斜視図、図３は、結晶成長装置に組込まれた状態の結晶成長装置の部分縦断面図、図４は、筒型ヒータによる加熱効果について説明図、そして図５は、サセプタ上に載置された基板内面の温度分布についての説明図である。
図１において、１０は、基板加熱装置であって、円板状の平板ヒータ１とこれの外周に沿って外側に設けられた筒型ケージヒータ２とを有している。
平板ヒータ１は、カーボンヒータであって、１枚の円板カーボンから溝１ａを機械カッティングで切り取って形成された所定の幅を持った一筆書きのヒータパターン３が形成された円板状のものである。この平板ヒータ１のカーボンは、ＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）でコーティングされている。
ヒータパターン３の一筆書きの形状は、円板の中心Ｏを通る直径に重ねた直径線Ｄに対して半円状の円弧パターン３ａ〜３ｅを直径線Ｄを基準として図面において上下対称に設け、それぞれのパターンを直径線Ｄの手前で折り返して接続することで対称になるようにそれぞれ折り返し重ね書きし、最内周の半円状の円弧パターン３ｅを対称となる相手方の円弧パターン３ｅに接続することで一筆書きを完成している。

さらに、最内周の半円状の円弧パターン３ｅの内側に１／４円弧パターン３ｆが円板の中心部に形成されていて、この１／４円弧パターン３ｆの一端が直径線Ｄに沿って外周に延び、最外周の半円状の円弧パターン３ａにそれぞれ対称になるように接続されている。 １／４円弧パターン３ｆの他方の端部には電源供給端子となる円形の端子パッドパターン３ｇ，３ｈがそれぞれ形成され、中心部には、溝１ａに連通する半円形の空間３ｉ，３ｊがパターンの内側にそれぞれ設けられている。
端子パッドパターン３ｇ，３ｈは、ＰＢＮでコーティングされていない部分であり、後述するように電極ロッド５ａ，５ｂ（図２参照）の頭部にカーボン製のねじ５ｃ，５ｄ（図２参照）を介してそれぞれ結合されて電気的に接続されるが、ヒータパターン説明の都合この図ではこの接続状態は省略してある。
平板ヒータ１の厚さは、５インチ基板のサセプタの場合（以下数値範囲についてはすべて５インチ基板用のサセプタの場合である。）には、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であって、各円弧のパターン幅は、３ｍｍ〜８ｍｍの範囲であり、溝１ａの間隔は、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある。

筒型ケージヒータ２は、同様にＰＢＮコーティングされたカーボンヒータであって、図２に示すように、円筒の側面に沿って繰り返し折り返された短冊状の一筆書きでヒータパターン４が側面に沿って形成された円筒ヒータである。これは、平板ヒータ１の２つの半円状の円弧３ａが形成する円板の外側にこれらを囲むように配置されている。
ここでは、筒型ケージヒータ２の側面の高さは、平板ヒータ１の厚さより大きい。これにより、筒型ケージヒータ２は、側面方向に距離を稼ぐことができるので、平板ヒータの外周の円形パターンヒータよりも発熱量を大きく採ることが可能になる。
その厚さは、５ｍｍ〜８ｍｍであり、側面高さは、５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあって、図２に示されるように筒型ケージヒータ２の側面において前後から交互に縦に切り溝２ａが設けられ、１本として形成された給電のライン幅が５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲になっている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面からみた部分斜視図であって、基板加熱装置１０は、Ａ−Ａ断面対してほぼ対称に同様な構造のものが設けられて平面からみて図１に示すような円形の形態になる。
図２に図すように、平板ヒータ１の周囲を筒型ケージヒータ２が取り囲んでいる。平板ヒータ１の外周と筒型ケージヒータ２との間隔Δｄは、２ｍｍ〜５ｍｍの範囲にある。
電極ロッド５ａ，５ｂは、モリブデン製でその頭部にはモリブデン製のナット５ｅ，５ｆが固定され、このナット５ｅ，５ｆとカーボン製の雄ねじ５ｃ，５ｄとを端子パッドパターン３ｇ，３ｈを介して螺合結合することで、平板ヒータ１の端子パッドパターン３ｇ，３ｈが電極ロッド５ａ，５ｂに接続されてかつ支持される。これにより、電極ロッド５ａ，５ｂを介して平板ヒータ１が電源に接続され、平板ヒータ１が電力供給を受ける。
一方、筒型ケージヒータ２は、両端部２ｃ，２ｄがカーボン製の皿雄ねじ２ｅ、２ｆを介して給電バー６ａ，６ｂに接続され、給電バー６ａ，６ｂを介して電源に接続され、電力供給を受ける。なお、筒型ケージヒータ２の給電バー６ａ，６ｂとの接続面は、ＰＢＮコーティングされていない。

図３は、結晶成長装置２０に組込まれた状態の結晶成長装置の部分縦断面図であって、図２，図３に示すように、給電バー６ａ，６ｂは、モリブデン製のクランクバーであって、クランク状に立ち上がった先端部を有し、この先端部は、筒型ケージヒータ２の内壁との接触を確保するために、内壁と同じ曲率も持つ弧として接触面が形成され、この弧の部分に雌ねじが切られている。そこで、これに皿雄ねじ２ｅ、２ｆが筒型ケージヒータ２を介して雌ねじに螺合することで筒型ケージヒータ２の両端部２ｃ，２ｄの内壁面と給電バー６ａ，６ｂとの接触面が接触してこれらが接続され、接触面積が大きく確保される。
このように平板ヒータ１が電極ロッド５ａ，５ｂと接続され、そして筒型ケージヒータ２の両端部２ｃ，２ｄが給電バー６ａ，６ｂと接続され、それぞれにモリブデン製のねじとカーボン製のねじとが結合接続されることになる。このことにより、金属同士の結合とせずに、金属とカーボンとの結合とされるので、高温状態における金属同士の融着がなくなり、これらの間での癒着が防止されて取付け、取外しがし易くなる。

図３に示すように、筒型ケージヒータ２の下部２ｇは、円筒状の支持部材７の頭部７ａに設けられたＵ字型の円形溝７ａに嵌合することでこれにより支持されている。
支持部材７は、ＢＮ（ボロンナイトライド）製であり、基板加熱装置１０は全体で円筒体９ａを構成していて、円筒体９ａの中心部には、Ｎ2等のパージガスが導入されるノズル１５が設けられている。
また、先の電極ロッド５ａ，５ｂと給電バー６ａ，６ｂもこの円筒体９ａの内部に配置されることで給電部が外側となることなく、全体が小型化されている。
支持部材７をＢＮ製としているので、これが絶縁性部材となり、かつ熱伝導率も低く、筒型ケージヒータ２は支持部材７から絶縁状態で支持される。
なお、給電バー６ａ，６ｂは、それぞれ嵌合管６ｃ，６ｄを介して電極ロッド６ｅ，６ｆとそれぞれ接続される。これらの接続もモリブデン製のねじとカーボン製のねじとの結合接続するとなっている。

図３に示すように、基板加熱装置１０は、均熱板を介すことなくサセプタ８の背面に２ｍｍ〜５ｍｍ程度の間隔を置いてその平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２とが配置され、サセプタ８を直接加熱する。
しかも、筒型ケージヒータ２の頭部は、平板ヒータ１の外周表面側からの抜熱を補うために平板ヒータ１の表面より１ｍｍ程度突出して配置される。これにより、平板ヒータ１の表面側からの抜熱を補うことができる。
円板状のサセプタ８は、垂直方向後ろ側に延びたフランジ８ａを有し、全体がキャップ状をしている。その板厚は、１ｍｍ〜５ｍｍである。サセプタ８には、これより外径が少し小さい円板状のサファイア基板、シリコンカーバイト基板などの基板１１が載置され、この基板１１の上部から原料ガス１２が供給されて基板１１に対して結晶成長が行われる。

フランジ８ａの後端部は、円筒状のカーボンヒータカバー９ｃに結合してこれによりサセプタ８が支持されることで全体で底部を除いて内部が密閉状態となる円筒体９ｂが形成されている。
この円筒体９ｂが支持部材７と基板加熱装置１０とからなる内側の円筒体９ａをカバーし、これら円筒体９ａ，９ｂの間の空間には、パージガスを供給する空間が設けられている。
円筒体９ｂは、これの外側に設けられた円筒の石英の反応管１３に内蔵され、上部から原料ガス１２がサセプタ８に載置された基板１１にダウンフローとして供給される。さらに、反応管１３の周囲には、所定の間隔を置いて断熱材層１４が設けられている。なお、原料ガス１２は横方向から供給されてもよい。
図３では示していないが電極ロッド５ａ，５ｂと電極ロッド６ｅ，６ｆとそれぞれの接続されていない反対側の端部は、円筒体９ｂの底面部に設けられた固定端子で支持されること、平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２とを支持している。

図４は、筒型ケージヒータによる加熱効果について説明図である。
図４（ａ），（ｂ）は、５インチの基板を載置する基板加熱装置１０における厚さ５ｍｍのサセプタ８における温度分布についての説明図である。
測定された温度特性は、平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２との距離を平板ヒータ１の外周の側面から５ｍｍ以下に設定してサセプタ８を表面に熱電対を多数埋め込んだ温度測定用のサセプタに置換えてサセプタの表面とその周辺との温度分布を測定した結果である。
円板状の平板ヒータ１を１２００°Ｃ以上の所定の温度になるように加熱すると、細線で示すような砲弾状の温度分布１６が得られる。
これに対して筒型ケージヒータ２だけを同様に加熱すると、細線で示すようなドーナッツ状で山形の温度分布１７が得られる。
そこで、これら両者の加熱の和が平均化するように平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２との距離を５ｍｍ以下に選択して筒型ケージヒータ２の加熱電力を調整して、これらを同時に加熱すると太点線１８で示すような均一性の高い温度特性を５インチの基板の範囲全域で得ることができる。

これに対して図４（ｂ）に示すように、平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２との距離を５ｍｍより大きく採ると、筒型ケージヒータ２に対応した部分の山型温度分布と砲弾型温度分布との距離が離れていき、太点線１８の特性は、均一性がくずれてきて、周辺部の温度が高くなって平板ヒータ１の周辺部に落ち込み１９が発生する。これにより均一性が採れない温度分布に変化していく。
そこで、実施例の５インチの条件では、平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２との距離を５ｍｍ以下としたときには筒型ケージヒータ２の加熱を調整することで、均一性を確保できる図５（ａ）に示すような太点線１８を得ることができる。

図４（ａ）に示した平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２との距離５ｍｍの条件で太点線１８の特性を得た場合のサセプタ８に２インチから５インチのものを載置した場合の異なる温度における基板１１の内部分布特性について図５を参照して説明する。
なお、縦軸は、温度［°Ｃ］，横軸は、サセプタ８の中心からの距離［インチ］である。図５において中央の縦軸は、基板１１の中心を通る線になっている。
図５の各グラフに示すように、基板１１が２インチから５インチのものについては、４００°Ｃ以上から１６００°Ｃの範囲で均一な温度分布特性をサセプタ８上て得ることができる。１５００°Ｃを超えても多少分布にムラができる程度である。

以上説明してきたが、実施例の各ヒータパターンは、カーボンがＰＢＮコーティングされているものであるが、各ヒータパターンのカーボンは、ＰＢＮコーティングされていなくてもよい。
実施例の平板ヒータのヒータパターンは一例であって、実施例のものに限定されるものではない。例えば、同心円状のものを一筆書き結合してもよい。また、渦巻き状にしてもよい。もちろん、ヒータパターンを内周と外周でそれぞれに分割して給電できるようなパターンとしてもよい。さらに、同心円状の多数のヒータパターンを独立に設けて、各同心円のヒータを個々に加熱して独立に発熱量をコントロールしてもよい。
また、実施例では５インチ基板についてのサセプタを中心に説明しているが、この発明は、２インチ以下の基板に対応する径のサセプタに適用されてもよし、５インチ以上基板を載置する径のサセプタに適用されてもよい。さらに温度は、１２００°Ｃ以下の４００°程度の高温であってもよいことはもちろんである。
ところで、この明細書および特許請求の範囲におけるサセプタの背面とは、サセプタの後ろ側だけではなく、サセプタの裏面も含む概念である。
なぜなら、実施例における平板ヒータ１と筒型ケージヒータ２は、ＰＢＮコーティングされたカーボン製であので、絶縁性を持つ。したがって、サセプタがＢＮ製，ＳＵＳ製等の金属製であってもこれの裏面に直接接触させることが可能であるからである。なお、この場合、端子パッドパターン３ｇ，３ｈを電極ロッド５ａ，５ｂに固定するカーボン製のねじ５ｃ，５ｄの頭部は、ＰＢＮでコーティングするとよい。

図１は、この発明を適用した基板加熱装置の平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面からみた基板加熱装置の部分斜視図である。 図３は、結晶成長装置に組込まれた状態の結晶成長装置の部分縦断面図である。 図４は、筒型ケージヒータによる加熱効果について説明図である。 図５は、サセプタ上に載置された基板内面の温度分布についての説明図である。

符号の説明

１…平板ヒータ、１ａ…溝、２…筒型ケージヒータ、
２ｅ、２ｆ…皿雄ねじ、３，４…ヒータパターン、
３ａ〜３ｆ…円弧パターン、３ｇ，３ｈ…端子パッドパターン、
４ａ〜４ｆ…、５ａ，５ｂ…電極ロッド、
５ｃ，５ｂ…カーボン製のねじ、５ｅ，５ｆ…ナット、
５ｇ，５ｈ…雄ねじ、６ａ，６ｂ，６ａ，６ｂ…給電バー、
７…支持部材、８…サセプタ、９ａ，９ｂ…円筒体、
１０…基板加熱装置、１１…基板、１２…原料ガス、
１３…反応管、１４…断熱材層、１５…ノズル、
２０…結晶成長装置。

Claims (9)

1. サセプタに載置された基板を前記サセプタの背面に設けられたヒータにより前記サセプタを介して加熱する基板加熱装置において、
   前記ヒータは、平板ヒータと、これの外周に沿ってこれの外側に前記外周を囲むように設けられ側面の高さが前記平板ヒータの厚さより大きい無底箱型ヒータとを有し、前記無底箱型ヒータにより前記平板ヒータの外周を加熱することで前記平板ヒータの端部から逃げる熱量を補充する基板加熱装置。
2. 前記平板ヒータは、所定の幅を持った一筆書きで第１のヒータパターンが形成された円板状のものであり、前記無底箱型ヒータは、円筒の側面に沿って繰り返し折り返された短冊状の一筆書きで１本の第２のヒータパターンが形成された円筒ヒータである請求項１記載の基板加熱装置。
3. 前記円筒ヒータは、前記平板ヒータの外周の側面から５ｍｍ以下の距離に設置され、かつ、その頭部は前記平板ヒータの表面より突出し、前記サセプタの加熱温度が１２００°Ｃ以上である請求項２記載の基板加熱装置。
4. 前記平板ヒータと前記円筒ヒータとはカーボン製であって、前記第１のヒータパターンは、同心円状、同心半円状あるいは渦巻き状に形成され、前記第２のヒータパターンは、前記側面に縦に切り溝が前後から交互に設けられて形成されている請求項３記載の基板加熱装置。
5. 前記平板ヒータと前記円筒ヒータとは、それぞれ前記第１のヒータパターンと前記第２のヒータパターンを形成するカーボンがＰＢＮでコーティングされ、前記円筒ヒータの加熱量を選択することで前記サセプタを均一に加熱する請求項４記載の基板加熱装置。
6. 前記第１および第２のヒータパターンの両端部は、それぞれカーボンねじを介してモリブデン製の給電部材に結合されこの給電部材で支持されこれを介して電力供給を受け、前記円筒ヒータは、その底面がＢＮ製の円筒支持部材により支持されている請求項５記載の基板加熱装置。
7. 前記第１のヒータパターンは、円板の直径線に対して対称となる半円状の円弧パターンを直径線の手前で折り返して接続することで対称になるようにそれぞれ折り重ね書きし、最内周の半円状の円弧パターンを対称となる相手方の円弧パターンと接続することで一筆書きが完成される請求項４記載の基板加熱装置。
8. 請求項１〜７のいずれか記載の前記基板加熱装置とサセプタとこれらを内蔵する石英管の反応管とを有する結晶成長装置。
9. 前記サセプタは前記基板加熱装置により直接加熱され、前記反応管は、外側に断熱層が設けられている請求項８記載の結晶成長装置。

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