JP2013145859A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタの配置や熱伝導性に起因する温度分布及びヒーターの発熱ムラに起因する温度分布を解消し、基板における高い温度均一性を実現し、厚み分布や組成不均一のない結晶成長を行う。
【解決手段】基板を搭載するサセプタと、サセプタを加熱する加熱手段とを備えた半導体製造装置において、基板を搭載するサセプタ４を、空隙４５を持って配置される二つの部材（第一部材４１及び第二部材４３）で構成し、基板が搭載される側に位置する部材４３（第二部材）の、第一部材４１と対向する面に反射層４３２を形成する。反射層４３２は、第二部材の全面に設けても、分散的に設けてもよく、第一部材から放射される熱を拡散させる効果を有し、これにより第二部材が受け取る熱の均一化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、反応室内に設置した基板の表面に結晶成長させて半導体を製造する装置に関し、特に基板を設置するサセプタの構造に特徴を持つ半導体製造装置に関する。

半導体製造装置には、基板の種類や基板の設置構造、反応ガスの供給方法、などによって種々の構造のものが使用されている。近年、膜厚を原子層オーダで制御することができるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が多用されている。ＭＯＣＶＤ等の半導体製造装置は、共通する基本的な構成として、基板を支持するサセプタ、サセプタを介して基板を加熱するヒーターなどを備えている。

良好な特性を持つ半導体を製造するために、基板上に組成や膜厚が均一な結晶が成長されることが要求される。結晶の厚みや組成の不均一は、半導体の特性、例えば電流電圧特性、電流発光特性、発光波長に分布を与え、歩留まりを低下させる原因となる。結晶を均一に成長させるためには、基板の温度を一定に保つことが重要であり、このため、基板を支持するサセプタ表面の温度が均一であることが極めて重要である。サセプタに温度分布があると、結晶層に厚みの分布を生じ、またＩｎＧａＮやＡｌＧａＮなどの三次元混晶を成長する場合には組成分布が生じる。

従来の半導体製造装置では、口径が２インチや３インチの基板を用いた成長では比較的良好な結晶を得ることができたが、基板の大きさが４インチ或いは６インチを超える大口径の基板を用いた結晶成長では、基板表面に大きな温度分布が発生しやすく結晶にばらつきが生じるという問題があった。

大口径化した基板に熱分布を生じさせる大きな原因は、周辺部品であるヒーターやサセプタの発熱や熱伝導率のばらつきである。例えば、サセプタは、ＳｉＣやカーボン材料をＳｉＣ膜で覆ったものなど均質な材料で形成されているが、不純物の混入等により熱伝導率が一様ではない場合がある。またヒーターを配置する位置によっても熱分布を生じる。一般にサセプタとほぼ同面積のヒーターをサセプタの裏面（基板搭載面の裏側の面）に配置した場合には、サセプタの側面から放熱しやすいため、図８（ａ）に示すようにサセプタの中心の方が温度が高く周辺で低くなる熱分布を生じやすい。またヒーターをサセプタの側面に配置した場合には、図８（ｂ）に示すようにサセプタ周辺で温度が高く中心の方が温度が低くなる熱分布を生じやすい。さらに、ヒーター自体も、加工寸法の誤差やヒーター基材の密度ムラに起因する抵抗のばらつきによって、図８（ｃ）に示すような温度ムラを発生する。ヒーターの温度ムラは、上記サセプタの熱分布と相俟って、サセプタの基板搭載面に不均一な温度分布を生じさせる。なお、図８においてはいずれも図面右端がサセプタの中央にあたり、それ以外の部分は省略している。省略している部分についてはサセプタ中央にて対称となる構造と温度分布となっている。

上述した基板表面温度分布の抑制という課題に対し、特許文献１には、サセプタの外周部に溝を設けることにより、基板が搭載される中央部と外周部とを熱的に遮断する構造が提案されている。また特許文献２には、サセプタの基板搭載部分に、球面状の凹部と環状の凸部を持つ均熱調整板を配置し、基板の周辺を凸部で支持し、基板の中心に向ける熱は凹部を介して与えるようにした構造が提案されている。

特開２０００−１００７２６号公報 特開２００１−２４９４号公報

特許文献１に記載された技術では、図８（ａ）に示す温度分布をある程度緩和することができるが、大口径の基板に対してはさらなる温度分布の解消が必要である。また図８（ｃ）に示すヒーター自体の温度分布が与える影響を解消することはできない。特許文献２に記載された技術は、凸部で支持された周辺部と中央部との温度差の解消には効果的であるものの、中央部においてはヒーターの発熱ムラの影響を受けやすく、最終的に基板表面の温度分布を十分に解消することができない。

本発明は、サセプタの配置や熱伝導性に起因する温度分布のみならず、ヒーターの発熱ムラに起因する温度分布をも解消し、基板における高い温度均一性を得ること、これにより厚み分布や組成不均一のない結晶成長を行うことが可能な半導体製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の半導体製造装置は、反応室と、前記反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段とを備え、前記サセプタと前記加熱手段との間に、前記加熱手段から直接又は間接的に放射される輻射熱の少なくとも一部を反射する反射層或いは反射部材を配置したことを特徴とする。

本発明の半導体製造装置の一態様によれば、基板を搭載するサセプタを、空隙を持って配置される二つの部材（第一部材及び第二部材）で構成し、基板が搭載される側に位置する部材（第二部材）の、第一部材と対向する面に輻射熱を反射する反射層を形成する。反射層は、全面であってもよいし、反射パターンとして部分的に設けてもよい。反射層は、第一部材から放射される熱を拡散させる効果を有し、これにより第二部材が受け取る熱の均一化を図ることができる。

本発明の半導体製造装置の別の態様によれば、基板搭載面と受熱面とを有するサセプタの受熱面側に、輻射熱を透過する熱透過部（貫通孔）と輻射熱を反射する反射部を持つ反射部材を配置する。サセプタが空隙を持って配置される二つの部材からなる場合には、これら二つの部材間の空間に反射部材を配置する。反射部材は１でも複数でもよい。

本発明によれば、サセプタの基板搭載面と反対側に、反射層或いは反射部を持つ反射部材を配置したことにより、ヒーターから直接或いはサセプタの第二部材を介して間接的に放射される熱の熱ムラを平準化することができ、基板が搭載されるサセプタの表面において均一性の高い温度分布を実現することができる。

第一実施形態の半導体製造装置の全体概要を示す図。 第一実施形態のサセプタ部分の詳細を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれサセプタの中空部の形状の変更例を示す図。 図２に示す上サセプタを上から見た図及び断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第一実施形態及び第二実施形態のサセプタ表面の温度分布を示すグラフ。 第二実施形態の半導体製造装置の全体概要を示す図。 第二実施形態の上サセプタ部分の詳細を示す断面図。 従来のサセプタの温度分布を示す図で、（ａ）はヒーターをサセプタの裏面側に配置した場合、（ｂ）はヒーターをサセプタの側面側に配置した場合、（ｃ）はヒーターの熱ムラに起因する温度分布を示す。 第三実施形態の半導体製造装置の概要を示す図。 第三実施形態の半導体製造装置のサセプタを示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ反射パターンの具体例を示す図。 第三実施形態のサセプタにおける熱伝導を説明する図。 上サセプタの温度分布を示す図。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ第三実施形態の変更例を示す図。 第四実施形態の半導体製造装置の概要を示す図。 第四実施形態の半導体製造装置のサセプタ及び反射部材の構造を示す図。 第四実施形態の反射部材の貫通孔の具体例を示す図。 貫通孔のサイズを説明する図。 第五実施形態の半導体製造装置のサセプタ及び反射部材の構造を示す図。 第六実施形態の半導体製造装置の概要を示す図。

以下、本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明が適用されるチャンネルフロー方式のＭＯＣＶＤ装置の概要を示す図である。このＭＯＣＶＤ装置１００は、有機金属材料を用いて、サファイア、シリコン、シリコンカーバイト、ガリウム砒素、窒化アルミニウム等の基板上に化合物半導体結晶を成長させる装置であり、外部と気密にされたチャンネルフロー方式の反応容器１と、反応容器１内に材料ガスを供給するためのガス供給管２、３と、基板９を搭載するサセプタ４と、サセプタ４の裏面側に配置されたヒーター５と、サセプタ４及びヒーター５を取り囲む遮熱板６と、サセプタ４を回転させる回転機構７と、反応容器１に接続された排気管８とを備えている。

反応容器１は、材料ガスを混合して送りながら基板上で反応させるためのフローチャンネル１０と、サセプタ４、ヒーター５及び遮熱板６が格納されるヒーター室１１とからなり、ヒーター室１１には、不図示のパージガス供給管が接続されており、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）が導入される。

材料ガスは、成膜すべき結晶によって異なるが、例えばトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等の有機金属ガスの他に、例えばアンモニアガス、シランガス、ジシランガス、ホスフィン、アルシンなどの複数種類が用いられる。これらガスの種類に合わせて、複数のガス供給管２、３が設けられる。フローチャンネル１０内部は、ガス毎に流路が仕切られており、基板９の上部でこれらガスが混合されて反応する構造になっている。反応に使われなかった余剰の材料ガスや反応によって生じた副生ガスなどは、排気管８から反応容器１の外部に排出される。

サセプタ４は、上から基板搭載面を見たとき、ほぼ円形の形状を有し、基板搭載面と反対側の面に、回転機構７の回転軸が固定され、回転軸の周りを高速で回転するように構成されている。サセプタの詳細については後述する。ヒーター５は、サセプタ４とほぼ同じ面積を持つ円形の形状を有し、その中心部は回転機構７の回転軸が貫通する穴が形成されていて、回転系からは切り離されている。遮熱板６は、低熱伝導性の材料、例えばＢＮ、窒化アルミからなる板材で、サセプタ４の底面及びヒーター５を囲むように、側面及び底面側に複数枚を重ねた状態で配置される。

サセプタ４について、図２を参照して詳述する。サセプタ４は、対向配置された下サセプタ４１（第一部材）と上サセプタ４３（第二部材）の二つの部材からなる。下サセプタ４１及び上サセプタ４３は直径が同一の円盤状であって、上サセプタ４３が基板搭載面を有し、下サセプタ４１が回転機構に固定されている。下サセプタ４１には、上サセプタ４３に対向する面の周囲に沿って凸部４１ａが形成されており、この環状凸部４１ａで囲まれた部分が円柱状の凹部４１ｂになっている。上サセプタ４３は、下サセプタ４１の環状の凸部４１ａに固定されている。これにより、上サセプタ４３と下サセプタ４１との間には、凹部４１ｂの形状に対応する中空層（空隙）４５が形成される。下サセプタ４１の裏面側の形状は、図示するように、平坦でもよいし、ヒーターの形状や配置に応じて、中心から周辺部に向かって傾斜を持たせたり、曲面にするなど適宜変更することができる。

下サセプタ４１の厚みは、特に限定されないが、ヒーターの配置を上サセプタと対向する面においた場合、１〜１００ｍｍ程度が好ましく、後述のようにヒーターの位置を下サセプタと上サセプタの位置より９０°回転させ円筒状ヒーターを下サセプタの周囲に配置した場合も同様の厚みであることが好ましい。厚みをこの範囲とすることにより、ヒーター５の熱を効率よく上面に伝達し且つ熱ムラをある程度均熱化することができる。下サセプタ４１の凸部４１ａの高さは、下サセプタ４１と上サセプタ４３との空隙の間隔を規定するものであり、２０μｍ以上であることが好ましい。空隙の間隔を２０μｍ以上とすることにより、後述する上サセプタ４３の反射層４３２による熱の拡散効果(熱分布を平準化する効果)を効果的に得ることができる。間隔の上限は特に限定されないが、熱伝導効率等を考慮し１００μｍ程度が好適である。凸部４１ａの幅（厚み）は、上サセプタ４３の直径の２０％以下であることが好ましく、また上サセプタ４３の半径と基板の半径との差よりも小さいことが好ましい。つまり凸部４１ａで囲まれる凹部４１ｂの半径が基板の半径よりも大きくなるように、凸部４１ａの幅を決めることが好ましい。典型的な例として、上サセプタ４３の半径が約１００ｍｍの場合、凸部４１ａの厚みは２０ｍｍ以下であることが好ましい。

なお図示する例では、凹部４１ｂの底面は平坦であり、中空層４５の形状が円筒形状であるが、凹部４１ｂの底面形状は平坦以外でもよく、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、球面状や円錐状の凹部であってもよいし、階段状になっていてもよい。

下サセプタ４１は、ヒーター５からの熱を効率よく伝導するために等方的な熱伝導性を有し、熱伝導率の高い材料から成ることが好ましい。具体的には、グラファイト等のカーボン材料、ＳｉＣ、表面をＳｉＣでコートしたカーボン材料などを用いることができる。

次に上サセプタ４３について説明する。上サセプタ４３は、図４に示すように、基板搭載面である上面と下面とが平坦な円筒形状を有し、円筒の軸方向に、高い熱伝導率の材料からなる高熱伝導層４３１と、輻射熱を反射する材料からなる反射層４３２とを積層した構造を有する。反射層４３２側が中空層４５（図２）に面するように配置され、高熱伝導層４３１上に基板搭載面が形成されている。この構造により、下サセプタ４１から輻射される熱の多くは反射層４３２で反射されるので、上サセプタ４３は主として反射層４３２と下サセプタ４１との間及びヒーター室１１に存在するパージガスの熱伝導によって加熱される。ガスを介した熱伝導であるため、上サセプタ４３にはヒーター５の発熱ムラの影響を受けることなく、均一な温度分布が形成される。また放熱しやすい上サセプタ４３の周辺部のみが、下サセプタ４１の凸部４１ａから熱伝導によって熱が与えられるので、周辺部の温度の低下が防止され、上サセプタ４３全体としての均熱化が図られる。

本実施形態における上サセプタ４３の温度分布を概略的に示すグラフを図５（ａ）に示す。図５中、太矢印は熱の移動の様子を示している。なお図５においては図８同様いずれも図面右端がサセプタの中央にあたり、それ以外の部分は省略している。省略している部分についてはサセプタ中央にて対称となる構造と温度分布になっている。図８（ａ）に示した従来のサセプタの温度分布と比較して、サセプタ周囲の温度が上がり、また中央部分で分布が解消されていることがわかる。サセプタ周囲の温度が高くなるのは、中空層４５のガスの熱伝導率が０．０２Ｗ/ｍＫ程度であるのに対して凸部４１ａとの接触部の熱伝導率は少なくとも１００倍程度大きくなることに起因している。

上サセプタ４３の高熱伝導層４３１の材料としては、下サセプタ４１と同様の材料を用いることができるが、下サセプタ４１の材料と同一でも異なっていてもよい。特に熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫ以上の材料を用いることが好ましい。熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫ以上の高熱伝導性材料を用いることにより、反射層３２２が下サセプタ４１からの輻射熱を反射しても、ヒーター室内のガスや下サセプタ４１の凸部４１ａを介して伝わる熱を効率よく層内に伝達することができ、速やかに均熱化を図ることができる。高熱伝導層４３１の材料として、具体的には、カーボン材料やＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いることができ、カーボン材料としては等方的な熱伝導性を持つグラファイトが特に好適である。またカーボン材料をＳｉＣでコートした材料を用いてもよい。

高熱伝導層４３１の厚みは、限定されるものではないが、２〜１０ｍｍ程度とする。

反射層４３２は、下サセプタ４３から輻射される熱（赤外線）を吸収せず、反射することでヒーターの発熱ムラによって生じる熱分布を抑制するものであり、高熱伝導層４３１よりも輻射熱に対する反射率の高い白色材料からなる。反射率は、具体的には９０％以上が好ましい。反射層を構成する材料として、具体的には、窒化ホウ素（ＢＮ）、パイロリティックＢＮ（ＰＢＮ）、アルミナなどが挙げられる。なおＰＢＮのように熱伝達に異方性のある材料を用いる場合には、熱伝導性がよい方向がサセプタ面と垂直な方向になるように膜形成することが望ましい。

高熱伝導層４３１上に反応層４３２を積層する手法は特に限定されないが、反射層４３２として、例えばＢＮ或いはＰＢＮを用いる場合には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により高熱伝導層の上に気相成長させて成膜することができる。またアルミナを用いる場合には、プラズマ溶射により成膜することができる。膜厚は、好ましくは１００μｍ以上とする。１００μｍ以上とすることにより、厚みムラのない反射層を形成することができる。また反射層４３２の厚みの上限は、特に限定されないが、厚みが厚すぎると上サセプタ４３の熱伝導性に影響を与えるおそれがあるので、高熱伝導層４３１の厚みの１０％程度が好ましい。

次に、本実施形態の半導体製造装置（ＭＯＣＶＤ）の動作の一例を簡単に説明する。

まず、サセプタ４上に基板９をセットし、反応容器１内を不活性ガスを充填し、ヒーター５を加熱して、サセプタ温度を所望の温度、例えば１０００℃に加熱する。次いで、ガス供給管２から、不活性ガス等を供給し、反応容器１内の圧力を一定にして基板をアニールする。

次いでサセプタ温度を反応温度に設定して、ガス供給管２、３から材料ガスを供給し、基板上にＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層或いはＧａＮ層などの層を成膜する。次にサセプタ温度をアニールに必要な温度に設定し、生成した結晶膜をアニールする。必要に応じて、上記工程を繰り返し、単層或いは多層の結晶膜を基板上に形成する。

上記結晶成長工程及びアニール工程では、膜の厚み及び組成の均一性は、サセプタの温度分布に大きく依存するが、本実施形態のＭＯＣＶＤでは、サセプタ４として、二重構造であって中空の内部に反射層を持つサセプタを採用しているので、図５（ａ）に示すような均一な表面温度を保つことができ、半導体製造の歩留まりを大幅に改善することができる。

＜第二実施形態＞
図６に、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置の概要を示す。このＭＯＣＶＤ装置も、基本的な構造は図１のＭＯＣＶＤと同じであるが、サセプタ４０の構造が異なる。以下、同一の要素の説明は省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施形態のサセプタ４０も、下サセプタ４１と上サセプタ４３の二重構造であり、下サセプタ４１と上サセプタ４３との間に中空層４５を備えること、上サセプタ４３が高熱伝導層４３１と反射層４３２とを備えること、は第一実施形態と同じである。本実施形態では、上サセプタ４３は、高熱伝導層４３１の上に、低熱伝導層４３３を備えていることが特徴である。

本実施形態の上サセプタ４０の詳細を図７に示す。
低熱伝導層４３３は、高熱伝導層４３１から基板９への熱の伝導を鈍化し、それによってサセプタ４３表面温度を均熱化する。低熱伝導層４３３の材料としては、高熱伝導層４３１より熱伝導率の低い材料、具体的には熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫ以下の材料を用いる。熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫ以下の材料としては、アルミナ（熱伝導率：２５〜３８Ｗ/ｍＫ）、ＢＮ（熱伝導率：３０〜１２０Ｗ/ｍＫ）などが挙げられる。一方、低熱伝導層４３３の表面は、基板９が搭載する基板搭載面であり、材料ガスや反応ガスに曝される。このため低熱伝導層４３３は、これらガスと反応しない材料であることが好ましい。以上の観点から、低熱伝導層４３３の材料として、アルミナが最も好ましい。

低熱伝導層４３３の形成方法は、反射層と同様に、例えばＢＮであればＣＶＤによる気相成長、アルミナであればプラズマ溶射などを採用することができる。低熱伝導層４３３の厚みは、特に限定されないが、１００〜５００μｍが好ましい。このような範囲とすることにより、膜厚が均一な層を形成することができ且つ上サセプタ４３全体としての良好な熱伝導性を保つことができる。

本実施形態のサセプタ４においても、下サセプタ４１から上サセプタ４３への熱の移動は第一実施形態と同様であり、下サセプタ４１の凸部４１ａと上サセプタ４３の周辺部との接触部分から伝導によって熱が移動する。また下サセプタ４１から中空層４５を介して上サセプタ４３に輻射された熱は、反射層４３２で反射されて直接上サセプタ４３を加熱するのには使われないが、中空層４５やヒーター室内に充填されたパージガスを加熱し、これら加熱されたパージガスからの熱伝導によって上サセプタ４３が加熱される。上サセプタ４３が受けた熱は高熱伝導層４３１に効率よく伝達された後、低熱伝導層４３３から基板９側に伝達される。この際、低熱伝導層４３３によって熱の伝導が鈍化される結果、周辺部で高くなる温度分布（図５（ａ））が解消されて、低熱伝導層４３３表面では図５（ｂ）に示すようなより均一性の高い温度分布となる。

以上、本発明の半導体製造装置を第一及び第二実施形態により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ことなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、上サセプタ４３を下サセプタ４１の周囲に形成した凸部４１ａで支持する構造を示したが、下サセプタ４１の凸部４１ａの代わりに別部材で上サセプタ４３を支持する構造を採用してもよい。

また上サセプタ４３を支持する位置は、ヒーター５の配置に応じて変更することができる。上記実施形態では、ヒーター５が下サセプタ４１の下側に配置される構造を示したが、円筒状のヒーター５を下サセプタ４１の周囲に配置することも可能であり、その場合には、サセプタには、図８（ｂ）に示すように中央部で温度が低くなる温度分布が生じる。このヒーター配置構造の場合には、例えば、下サセプタ４１の中央に近い部分に上サセプタ４３を支持する凸部を形成し、この凸部を通して直接下サセプタ４１からの熱が上サセプタ４３に伝導するようにしてもよい。

＜第三実施形態＞
本実施形態の半導体製造装置も、サセプタが上下２つの部材からなること、上サセプタの下面に反射層が形成されていることは第一及び第二実施形態と同様である。本実施形態は、上サセプタの下面に反射層を分散的に設けたこと、即ち、輻射熱に対し反射性を持つ部分と吸収性の高い部分（熱吸収部）を分散して配置したことが特徴である。

図９に本実施形態の半導体製造装置の概要を示す。図９もＭＯＣＶＤ装置に適用した実施形態を示している。このＭＯＣＶＤ装置は、サセプタを除く、他の要素は上述した第一及び第二の実施形態と同じであるので、説明を省略する。

サセプタ４の構造を図１０に示す。サセプタ４は、第一実施形態と同様に、対向配置された下サセプタ４１と上サセプタ４３とからなる。下サセプタ４１の外周に沿って形成された凸部４１ａに上サセプタ４３が固定されており、下サセプタ４１と上サセプタ４３との間には空隙４５が形成されている。

図１０では平板状の下サセプタ４１を示しているが、下サセプタ４１の形状は図３（ａ）〜（ｃ）に示したように種々の形状とすることができる。また下サセプタ４１の材料は、第一実施形態と同様に、グラファイト等のカーボン材料、ＳｉＣ、表面をＳｉＣで被覆したカーボン材料などの熱伝導性の高い材料を用いる。

上サセプタ４３は、高い熱伝導率の材料から成り、基板搭載面である上面と下面とが平坦な円筒形状を有し、下面に、赤外線に対し高い反射性を持つ材料を用いた反射層からなる反射パターン４２が形成されている。上サセプタ４１の高い熱伝導率の材料としては下サセプタ４１と同様の材料を用いることができ、特に熱伝導率が１００Ｗ/ｍＫ以上の材料を用いることが好ましい。赤外線に対し高い反射性を持つ材料としては、ＢＮ、ＰＢＮ、アルミナ等の白色のセラミックスが好適である。

反射パターン４２は、上サセプタ４３の下面全面を反射層が覆うのではなく、反射層の部分４２１と反射層が形成されていない部分（熱吸収層）４２２とが交互に或いは分散して配置されるようなパターンである。反射層４２１は、下サセプタ４１からの放射熱を反射するが、反射層が形成されていない部分４２２では、下サセプタ４１からの放射熱が直接上サセプタ４３に当たる。

反射パターン４２の具体例を図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。（ａ）及び（ｂ）は上サセプタの下面から見た図で、（ａ）は反射層４２１を同心円状に設けたもの、（ｂ）はドット状に設けたものである。図では反射層４２１を分かりやすくするためにハッチングで示している。また図１１（ｃ）及び（ｄ）は、（ｂ）に示す反射層の一つの側面図である。図示するように反射層をドット状に形成する場合、ドットは円柱状（ｃ）であっても半球状（ｄ）であってもよい。図示していないが、ドット形状は円柱状のみならず角柱や半楕円球であってもよい。同様に反射層が（ａ）に示すように線状である場合、線の方向と直交する断面の形状は、四角形（ｃ）であっても半円形（ｄ）等であってもよい。またドットの配列は、図１１（ｂ）では直交する二方向に配列した例を示しているが、列毎に行方向の位置をずらした配置、例えば最密充填等の配置であってもよい。また図１１（ａ）に示す同心円状の反射パターンの場合、後述するパターン形成方法上の要請により、反射層の一つの円は一部が分断されていてもよい。その他、例示していないが、反射層の形状は、格子状、折れ線状、螺旋状などの形状を取りえる。

反射パターン４２における反射層の部分４２１と反射層がない部分４２２との割合（面積の割合）は、反射パターンの形状によっても異なるが、２０：８０〜８０：２０の範囲が好ましく、図１１（ａ）のような同心円状のパターンの場合には、両者の割合がほぼ同程度（４０：６０〜６０：４０）であることが好ましい。また図１１（ｂ）のようなドット状のパターンの場合には、反射層の部分：反射層のない部分が２０：８０〜８０：２０であることが好ましい。

次に反射パターン４２が形成された上サセプタ４３における熱の伝導について、図１２を参照して説明する。図示するように、ヒーター５によって加熱された下サセプタ４１から放出される熱のうち、一部は下サセプタ４１と上サセプタ４３との間に存在するガスを介した熱伝導により上サセプタ４３の下面に到達し、上サセプタ４３の下面を均等に加熱する。一方、輻射熱として放出された熱は、上サセプタ４３の下面に到達するが、反射層がある部分４２１では反射され、反射層がない部分４２２では上サセプタ４３の下面に到達し、高熱伝導性材料である上サセプタ４３を伝導し、基板９が載置されている上サセプタ４３の上面に到達する。ここで、反射層がない部分４２２から上サセプタ４に伝達される熱は図中点線で示すように放射状に広がり、反射層がある部分４２１の真上にも広がる。反射層４２１の直上の部分は輻射熱を受けていないので、反射パターン４２が形成された上サセプタ４３の下面では、図１３の最下段に示すような温度分布を生じているが、両側に位置する反射層のない部分４２２から熱が伝達されるため、サセプタの上面に行くに従い温度分布は均一化され、上サセプタ４３の上面は、図１３の最上段に示すように、ほぼ均一な温度分布が達成される。

反射パターン４２における反射層４２１及び反射層のない部分４２２の間隔は、上述した熱の伝達を考慮して適切な範囲に設定することが好ましい。具体的には、上サセプタ４３の厚みｔに対し、反射層と反射層との間隔ｄ１、即ち反射層で挟まれる部分４２２の幅は厚みｔの１〜１０％程度であれば均熱効果を期待できるが、ｔに対するｄ１の比率を小さくするほどその効果は高い。同様に反射層４０５１の幅ｄ２（反射層が図１１（ａ）に示すような線状の場合にはその幅、反射層が図１１（ｂ）に示すようなドット状の場合にはドットの径）についても厚みｔの１〜１０％程度であれば均熱効果を期待できるが、ｔに対するｄ２の比率を小さくするほどその効果は高い。

反射パターン４２は、上サセプタ４３の表面（下面）に所定のマスク（反射パターンにおける反射層がない部分を覆うマスクパターン）を施した状態で反射層を形成する材料を気相成長（ＣＶＤ）、蒸着、プラズマ溶射などを用いて成膜することにより形成することができる。具体的には、窒化ホウ素はＣＶＤで、アルミナはプラズマ溶射で成膜することができる。反射層４２１の厚みは、限定されるものではないが、十分な反射率を確保するために１００μｍが好ましく、１００μｍ〜２００μｍ程度とすることが好ましい。

本実施形態のＭＯＣＶＤは、部分的な反射層からなる反射パターンを上サセプタの下面に設けることにより、第一実施形態と同様に、ヒーター５が発生する熱の不均一や下サセプタ４１からの熱の分布がそのまま上サセプタに反映することを抑制することができるとともに、全面を反射層とした場合（第一実施形態）に比べ、下サセプタからの輻射熱の一部を直接上サセプタで受けて利用できるので熱効率を向上することができる。熱効率の向上によりヒーターの消費電力を抑えることができ、ヒーターの長寿命化、ヒーター交換頻度の低減と稼働率の向上などの付随的な効果をえることができる。

なお図１０及び図１２では、上サセプタの下面を平坦な面とし、その平坦な面に部分的な反射層からなる反射パターンを形成した場合を示したが、図１４（ａ）に示すように、上サセプタ４３の下面に反射パターンに対応する凹凸を形成し、その凹部を反射層４２１を構成する材料で埋めて、反射パターン形成後の下面が平坦な面となるようにしてもよい。

また図１０に示す実施形態では、上サセプタ４３は均質な材料で形成されている場合を示しているが、本実施形態においても、第二実施形態と同様に、上サセプタ４３を構成する高熱伝導層４３１の上に、低熱伝導層４３３を設けることも可能である（図１４（ｂ））。低熱伝導層は、高熱伝導層から基板への熱の伝導を鈍化し、サセプタ表面温度を均熱化するものであり、材料、形成方法、及び膜厚は第二実施形態で説明したとおりであり、説明を省略する。

＜第四実施形態＞
本実施形態は、第三実施形態のように、反射パターンを上サセプタの下面に積層するのではなく、独立した反射部材として、上サセプタと下サセプタとの間に配置することが特徴である。

図１５に本実施形態の半導体製造装置の概要を示す。図１５もＭＯＣＶＤ装置に適用した実施形態を示している。このＭＯＣＶＤ装置は、サセプタ４及び反射部材４８を除く、他の要素は上述した第一及び第二の実施形態と同じであるので、説明を省略する。

サセプタ４及び反射部材４８の配置を図１６に示す。サセプタ４は、第一実施形態と同様に、対向配置された下サセプタ４１と上サセプタ４３とからなるが、この下サセプタ４１と上サセプタ４３との間の空間に、多数の貫通孔が形成された反射部材４８が配置されている。反射部材４８は、少なくとも、下サセプタ４１に対向する面が輻射熱に対し反射性を有し、下サセプタ４１からの輻射熱の一部を反射部と、輻射熱の一部を透過する透過部とが交互に或いは分散して配置された構造を有する。

貫通孔４８３は、下サセプタ４１から放射される熱の一部を透過する熱透過部を構成するものであり、その形状は、線状、円柱状などの形状を取りえる。図１７に貫通孔の一例を示す。図では反射部材の四分の一のみを示し、他の部分を省略しているが、反射部材の全体に図示するような貫通孔が形成されている。この例では、反射部材４８の面に沿って二次元方向に円柱状の貫通孔を配列している。

反射部４８１は、輻射熱に対し反射性を持つ材料からなる。このような材料として、具体的には、窒化ホウ素、ＰＢＮ、アルミナ等の白色のセラミックスを使用することができる。反射部４８１は、反射部材４８を構成する基材の表面を上述した熱反射層の材料で被覆することにより形成してもよいし、反射部材４８自体を上述した輻射熱に対し反射性を持つ材料で形成してもよい。被覆する場合は、反射部材４８をサセプタ４と同様の熱吸収性の材料で作成し、その表面に気相成長（ＣＶＤ）、蒸着、プラズマ溶射等の方法により、反射性材料の膜を形成する。膜は、反射部材４８全体を被覆してもよいし、輻射熱があたる面のみを被覆してもよい。

反射部材４８の厚みは、特に限定されるものではないが、下サセプタ４１と上サセプタ４３との適切な間隔や機械的強度を考慮し、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度が好適である。

このように、下サセプタ４１と上サセプタ４３との間に反射部材４８を配置した場合、第三実施形態の反射パターンを設けた場合と同様に、下サセプタ４１からの輻射熱は反射部材４８の熱透過部を通過して上サセプタ４３の下面に当たり、上サセプタ４３内を熱伝導により放射状に伝達されて基板搭載面に向かう（図１２参照）。反射部材４８の熱反射部４８１では、下サセプタ４１からの輻射熱が反射されるため、熱反射部の真上に位置する上サセプタ４３下面の部分には輻射熱は殆ど届かないが、上サセプタ４３内で上述した放射状の熱伝導が生じることによって、上サセプタ４３の基板搭載面では、面内の熱分布が緩和され、均一性のよい温度分布となる。また反射部材４８を、上サセプタ４３に対し間隙をもって配置した場合には、貫通孔４８３を通過した輻射熱が間隙を通過する際に放射状に広がるため、上サセプタ下面に均等に到達する。また貫通孔４８３を通過する際にその内壁面で反射され拡散されるので、上サセプタ４３下面の輻射熱が当たる領域の面積は、貫通孔４８３の投影面積より広がり、反射部材４８でまびかれた輻射熱が、上サセプタ下面にさらに均等化されて到達する。このため、上サセプタ４３内部の熱伝導時の拡散効果がより増大し、サセプタ上面（基板搭載面）における高い均熱性を得ることができる。

貫通孔４８３の径及び隣接する貫通孔と貫通孔との間隔は、上述した効果を得られるように、上サセプタ４３の厚みｔとの関係で決めることが好ましい。具体的には図１８に示すように、貫通孔の径ｄ２及び貫通孔と貫通孔と間隔ｄ１は、それぞれ、厚みｔの１〜１０％程度が好ましいが、ｄ１、ｄ２のｔに対する比率は小さいほどより高い均熱化の効果を期待できる。例えば、上サセプタ４３の厚みが５ｍｍの場合、ｄ１及びｄ２はそれぞれ１００μｍ程度とする。貫通孔４８３の径ｄ２及び間隔ｄ１を上記範囲とすることにより、反射部４８１よって間引かれた輻射熱が上サセプタ４３の基板搭載面に均一に広がることができる。

上下サセプタ間における反射部材４８の位置は、特に限定されず、反射部材４８を上サセプタ４３に密着して配置することも可能であるが、反射部材４８を上サセプタ４３から所定の距離、離して配置した場合には、この距離の間の輻射熱の拡散効果、貫通孔内での熱反射による効果を得ることができるので好ましい。具体的には、反射部材４８と上サセプタ４３との間隔を１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。また下サセプタ４１からの輻射熱を反射するという反射部材４８として機能を果たすために、下サセプタ４１からの距離も同程度（１０μｍ〜１００μｍ）とすることが好ましい。なお、反射部材４８を上サセプタ４３に密着させた配置は、反射部材４８がサセプタ４と別部材であることを除き、上サセプタ４３の下面に直接反射層を設ける第三実施形態と同じである。

反射部材４８を下サセプタ４１と上サセプタ４３との間に固定する構造としては、図１６に示したように、例えば、下サセプタ４１外周のリング状凸部４１ａと同形状の凸部４８ａを反射部材４８の外周に一体で形成するか、リング状部材を固定し、その上に上サセプタ４３を固定することができる。

本実施形態のＭＯＣＶＤは、熱反射部４８１と熱透過部（貫通孔）４８３とを設けた反射部材４８を上下サセプタの間に配置することにより、第三実施形態と同様に、下サセプタからの熱の分布がそのまま上サセプタに反映することを抑制することができ、且つ第一実施形態に比べ、熱効率を向上することができる。さらに、本実施形態によれば、反射部材をサセプタと独立した部材で形成したので、反射部材を、損傷の激しく交換頻度の高い上サセプタと同時に交換する必要がなく、反射部材の長寿命化を図ることができる。

本実施形態においても、上サセプタ４３を構成する高熱伝導層の上に、低熱伝導層を設ける等の変更（図１４（ｂ））が可能である。また下サセプタ４１の形状の変更（図３（ａ）〜（ｃ））も可能である。

＜第五実施形態＞
上述した第四実施形態は、上サセプタと下サセプタとの間に１枚の反射部材を配置したものであるが、本実施形態は反射部材を複数用いたことを特徴としている。本実施形態においても、サセプタ及び反射部材の構造以外の構成は、他の実施形態と同様であるので、以下、サセプタ及び反射部材の構造について、図１９を参照して説明する。

図１９は、反射部材４８を２枚用いたＭＯＣＶＤ装置のサセプタ構造を示す図である。各反射部材４８の構造は、第四実施形態と同様であり、所定の厚みの熱反射性材料から成る板に、熱透過部となる複数の貫通孔４８３が形成されている。個々の反射部材４８の厚み、貫通孔の径、貫通孔と貫通孔との間の間隙、貫通孔の形状および配列は、第四実施形態と同様である。

２枚の反射部材４８は、貫通孔の形状、大きさや間隔が互いに同一でも異なっていてもよい。図１９に示す例では、貫通孔４８３の形状、大きさ及び間隔が同一である２枚の反射部材４８を用い、ただし、貫通孔４８３が上下の反射部材４８で重ならない配置としている。例えば上側の反射部材４８の貫通孔の真下には下側の反射部材４８の反射部が位置し、下側の反射部材４８の貫通孔の真上には上側の反射部材の反射部が位置する。このように上下の反射部材４８で貫通孔４８３の位置が互い違いになるように配置した場合、下サセプタ４１からの輻射熱は、上サセプタ４３の下面に直接当たることはなく、貫通孔の内壁面で反射し拡散された輻射熱のみが上サセプタ４３の下面に到達する。これにより反射部材によってできる熱ムラがより緩和され、熱効率の向上を図りつつ、基板搭載面におけるより高い均熱性を達成することができる。

２枚の反射部材４８の間の間隔は、１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。２枚の反射部材４８のうち一方は、サセプタ（上サセプタ４３又は下サセプタ４１）に密着して配置されていてもよい。反射部材４８を上下のサセプタ４１、４３との間に配置する手法は、第四実施形態と同様の手法即ち隣接する部材の一方の外周にリング状凸部を設けてそれに他方を固定する方法を採用することができる。

本実施形態によれば、第四実施形態の効果に加え、さらなる熱の拡散効果とそれに伴う基板搭載面の均熱化を図ることができる。なお図１９に示す例では、２枚の反射部材を用いる場合を示しているが、反射部材の数は２枚に限定されず、熱効率が低下しない範囲で増やすことができる。上下サセプタの適切な間隔を考慮すると、好適な反射数の数は１枚（第四実施形態）〜５枚程度である。反射部材を増やした場合にも、互いの貫通孔が重ならないように配置することが好ましい。

なお上述した第三〜第五実施形態で参照する図９及び図１５では、ヒーター５が下サセプタ４１の下側に配置されている場合を示したが、これら実施形態は円筒状ヒーターを下サセプタの側面に配置した構造のＭＯＣＶＤ装置についても同様に適用することができる。

＜第六実施形態＞
本実施形態は、第五実施形態と同様に複数の反射部材を用いるとともに、第一〜第五実施形態で採用している下サセプタをなくしたことを特徴としている。

図２０に本実施形態のＭＯＣＶＤ装置の概要を示す。図示するように、このＭＯＣＶＤ装置は、基板搭載面を持つサセプタ４００の、基板搭載面と反対側に複数の反射部材４８が互いに間隔を持って配置され、その下側にヒーター５が配置されている。

個々の反射部材４８の構造は、第四及び第五実施形態と同様であり、且つ反射部材４８の関係も同様である。即ち、反射部材４８は、互いに好適には１０μｍ〜１００μｍの間隔を持ち、且つ隣接する反射部材の貫通孔同士が重ならないように配置されている。

複数の反射部材４８を重ねて配置した場合、ヒーター５からの輻射熱は、各反射部材４８の貫通孔を通過しながら拡散されて、ヒーター自体の熱の不均一が緩和された状態で、最上に位置する反射部材４８から放出される。このように複数の反射部材からなる構造は、ヒーターの熱を均熱化して上サセプタに伝えるという下サセプタの機能と同様の機能を持つので、下サセプタに相当する部材は不要となる。しかも反射部と熱透過部とを組み合わせた反射部材を重ねることにより、熱効率を落とすことなく下サセプタよりさらに高い均熱化効果を得ることができる。

以上、本発明の半導体製造装置の各実施形態を説明したが、一つの実施形態の特徴は他の実施形態の特徴を阻害しない限り、組み合わせることも可能であり、また一つの実施形態について説明した変更例は、その実施形態の特徴を阻害しない限り、他の実施形態でも採用することができる。

また上記実施形態では、サセプタの上面に基板を搭載する構造の装置を示したが、サセプタの下面に基板を搭載し、上面側に配置したヒーターで基板を加熱する構造であっても同様に適用できる。その場合は、上記実施形態の上サセプタを下に、下サセプタを上に、逆にした構造とすればよい。
さらに本発明は、チャンネルフロー型のＭＯＣＶＤ装置のみならず、２フロータイプやシャワーベッドからガスを供給する方式の装置等にも適用でき、またＭＯＣＶＤ以外の半導体製造装置、例えば、スパッタ装置等にも適用することができる。

本発明によれば、膜厚及び組成が均一で、半導体としての特性に優れた結晶膜を歩留まり良く製造することができる。

１・・・反応容器、２、３・・・ガス供給管、４、４０、４００・・・サセプタ、５・・・ヒーター、６・・・遮熱板、７・・・回転機構、８・・・排気管、９・・・基板、１０・・・フローチャンネル部、１１・・・ヒーター室、４１・・・下サセプタ（第一部材）、４１ａ・・・凸部、４１ｂ・・・凹部、４２・・・反射パターン、４２１・・・反射層、４２２・・・反射層のない部分、４３・・・上サセプタ(第二部材)、４３１・・・高熱伝導層、４３２・・・反射層、４３３・・・低熱伝導層、４５・・・中空層（空隙）、４８・・・反射部材、４８１・・・熱透過部、４８３・・・貫通孔（熱反射部）。

Claims (14)

1. 反応室と、前記反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段とを備えた半導体製造装置であって、
   前記サセプタは、前記基板を搭載する第一の面（基板搭載面）と、前記第一の面の反対側となる第二の面を有し、
   前記サセプタの前記第二の面に接して又は離間して配置された前記反射部材を備え、
   当該反射部材の、前記第二の面に対向する面と反対側の面の少なくとも一部は、赤外線に対する反射率が前記第二の面よりも高いことを特徴とする半導体製造装置。
2. 反応室と、前記反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段とを備えた半導体製造装置であって、
   前記サセプタと前記加熱手段との間に、前記加熱手段から直接又は間接的に放射される輻射熱の少なくとも一部を反射する反射部材を配置したことを特徴とする半導体製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置であって、
   前記サセプタは、前記加熱手段からの熱を受ける受熱面を持つ第一部材と、前記第一部材に対し、空隙を持って配置され、前記第一部材と対向する面と反対側の面に前記基板を搭載する面（基板搭載面）を持つ第二部材とを備え、
   前記反射部材は、前記第一部材と前記第二部材との間に配置されることを特徴とする半導体製造装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
   前記反射部材は、前記サセプタの基板搭載面を持つ部材の、当該基板搭載面と反対側の面に、所定のパターンで形成された反射層からなることを特徴とする半導体製造装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
   前記反射部材は、複数の貫通孔を有する反射板からなることを特徴とする半導体製造装置。
6. 請求項５に記載の半導体製造装置であって、
   前記反射板は、当該反射板の主平面に直交する方向に互いに間隔を持って複数配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
7. 請求項６に記載の半導体製造装置であって、
   前記複数の反射板は、隣接する反射板の貫通孔同士が互いに重ならないように配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
8. 請求項４ないし７のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
   前記反射層又は前記貫通孔は、円筒状、角柱状、リング状、格子状、放射状或いはそれらの組合せであることを特徴とする半導体製造装置。
9. 反応室と、前記反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段とを備えた半導体製造装置であって、
   前記サセプタは、前記加熱手段からの熱を受ける受熱面を持つ第一部材と、前記第一部材に対し、空隙を持って配置され、前記第一部材と対向する面と反対側の面に前記基板を搭載する面（基板搭載面）を持つ第二部材とを備え、
   前記第二部材は、高熱伝導層と、当該高熱伝導層を形成する材料よりも熱反射率の高い材料からなる反射層とを有し、前記反射層が前記第一部材と対向するように配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
10. 請求項３又は９に記載の半導体製造装置であって、
    前記第一部材は、前記第二部材の前記裏面に対向する面の周囲に環状凸部を有し、前記環状凸部が前記第二部材に当接し、前記環状凸部で囲まれる凹部と前記第二部材の前記裏面との間に空隙が設けられていることを特徴とする半導体製造装置。
11. 請求項４又は９に記載の半導体製造装置であって、
    前記反射層を形成する材料はアルミナ、窒化ホウ素から選ばれることを特徴とする半導体製造装置。
12. 請求項９から１１のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
    前記高熱伝導層は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性材料からなることを特徴とする半導体製造装置。
13. 請求項９から１２のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
    前記第二部材は、前記基板搭載面側に、前記熱伝導層の熱伝導率より熱伝導率が低い材料からなる低熱伝導層を有することを特徴とする半導体製造装置。
14. 請求項９から１３のいずれか一項に記載の半導体製造装置であって、
    前記加熱手段は、前記第一部材の、前記第二部材と対向する面と反対側に配置されていることを特徴とする半導体製造装置。

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