JP2015133405A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気密部材の表面温度が上昇することを抑制し、気密部材の長寿命化を実現することが可能な半導体製造装置を提供する。【解決手段】成長空間１０１に配置された基板１０２の表面に原料ガスを供給して基板１０２の表面に半導体結晶を成長させる半導体製造装置１００において、基台１０３と、基台１０３に載置されると共に成長空間１０１と大気１０４とを区画するインナーチューブ１０５と、基台１０３とインナーチューブ１０５との間に配置されると共に基台１０３とインナーチューブ１０５との間の気密を確保する気密部材１０６と、基板１０２を加熱するヒータ１０８と、を備え、インナーチューブ１０５は、ヒータ１０８から放射された赤外線１１６が気密部材１０６に伝達されることを阻害する赤外線遮断部１１８を有するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、成長空間に配置された基板の表面に原料ガスを供給して基板の表面に半導体結晶を成長させる半導体製造装置に関する。

通常、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法等により基板の表面に半導体結晶を成長させる際には、原料ガスとして、アンモニアガスや塩化水素ガス等の有毒ガスが使用されている。これらの有毒ガスが大気に漏洩することを防止するためには、原料ガスが導入されて半導体結晶の成長が実施される成長空間を大気から隔離する必要がある。

そのため、図３に示すように、従来技術に係る半導体製造装置３００では、基台３０１にドーム形状のインナーチューブ３０２を被せるように載置して成長空間３０３と大気３０４とを区画すると共に、基台３０１とインナーチューブ３０２との間に気密部材３０５を配置してこれらの間の気密を確保することにより、成長空間３０３を大気３０４から完全に隔離している。

インナーチューブ３０２としては、化学的耐性や熱的耐性に優れており、且つ、線膨張係数が非常に小さく、急激な温度変化による熱衝撃の影響を受けにくい石英ガラスからなるものが広く使用されており、気密部材３０５としては、基台３０１とインナーチューブ３０２とに密着するように弾性に優れたＯリングが広く使用されている。

ハイドライド気相成長法等により基板３０６の表面に半導体結晶を成長させる際には、インナーチューブ３０２の周囲を囲繞するように配置されたヒータ３０７により成長空間３０３や基板３０６が１０００℃程度まで昇温されることから、気密部材３０５にもインナーチューブ３０２と同様に熱的耐性に優れることが要求される。

ところが、気密部材３０５を構成するＯリングとして最も熱的耐性に優れたものでも耐熱温度が３００℃程度であるため、基台３０１の内部に形成された冷却水路３０８に冷却水を流して気密部材３０５の表面温度の上昇を抑制することにより、気密部材３０５の熱劣化を防止している。

特開平４−３０２１４６号公報

しかしながら、従来技術に係る半導体製造装置３００では、ヒータ３０７から放射された赤外線を基板３０６に低損失で伝達して基板３０６の温度を効率的に昇温させることができるように、インナーチューブ３０２は赤外線に対して透明であることから、図４に示すように、インナーチューブ３０２が赤外線４０１を伝達する光導波路となり、赤外線４０１が気密部材３０５まで効率的に伝達されて気密部材３０５の表面温度を上昇させ、気密部材３０５の寿命を縮めてしまうという課題がある。

特に、気密部材３０５を構成するＯリングは、通常、黒色であることが多く、黒体は反射率がゼロであるため、赤外線を全て吸収してしまい、気密部材３０５の表面温度の上昇に拍車が掛かる。

図５を参照すると、インナーチューブ３０２が赤外線４０１の光導波路となり、気密部材３０５の表面温度が同等の高さ位置の他の部分と比較して高温となっていることが分かる。

実際、半導体製造装置３００により、ヒータ３０７の最大温度を１０００℃とし、耐熱温度が２７０℃の気密部材３０５を使用して半導体結晶の成長を実施したところ、３ヶ月で気密部材３０５の表面が熱劣化して使用できなくなってしまった。

気密部材３０５は、基台３０１とインナーチューブ３０２との間の気密を確保して成長空間３０３を大気３０４から隔離する重要部品であり、気密部材３０５が熱劣化により損傷すると、成長空間３０３から大気３０４に原料ガスが漏洩する可能性がある。

また、気密部材３０５は、種類によっては非常に高価であるため、交換頻度が高くなると、半導体の製造コストを著しく増大させてしまうことになる。

そこで、本発明の目的は、気密部材の表面温度が上昇することを抑制し、気密部材の長寿命化を実現することが可能な半導体製造装置を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、成長空間に配置された基板の表面に原料ガスを供給して前記基板の表面に半導体結晶を成長させる半導体製造装置において、基台と、前記基台に載置されると共に前記成長空間と大気とを区画するインナーチューブと、前記基台と前記インナーチューブとの間に配置されると共に前記基台と前記インナーチューブとの間の気密を確保する気密部材と、前記基板を加熱するヒータと、を備え、前記インナーチューブは、前記ヒータから放射された赤外線が前記気密部材に伝達されることを阻害する赤外線遮断部を有する半導体製造装置である。

前記インナーチューブは、石英ガラスからなり、前記赤外線遮断部は、気泡が内在する石英ガラス又は表面が粗面化された石英ガラスからなると良い。

前記赤外線遮断部は、鉛直方向の長さが２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であると良い。

本発明によれば、気密部材の表面温度が上昇することを抑制し、気密部材の長寿命化を実現することが可能な半導体製造装置を提供することができる。

本発明に係る半導体製造装置を示す概略図である。 図１のＡ部拡大図である。 従来技術に係る半導体製造装置を示す概略図である。 図３のＢ部拡大図である。 気密部材の近傍における熱流体解析結果を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る半導体製造装置１００は、成長空間１０１に配置された基板１０２の表面に原料ガスを供給して基板１０２の表面に半導体結晶を成長させるものであり、基台１０３と、基台１０３に載置されると共に成長空間１０１と大気１０４とを区画するインナーチューブ１０５と、基台１０３とインナーチューブ１０５との間に配置されると共に基台１０３とインナーチューブ１０５との間の気密を確保する気密部材１０６と、気密部材１０６が押し潰されるように基台１０３にインナーチューブ１０５を押さえ付ける押さえ金具１０７と、インナーチューブ１０５の周囲を囲繞するように配置されると共に基板１０２を加熱するヒータ１０８と、成長空間１０１を大気１０４から断熱してヒータ１０８により加熱された基板１０２を保温する断熱材１０９と、原料ガス導入管１１０を通じて成長空間１０１に原料ガスを供給する原料ガス供給設備１１１と、ガス排出管１１２を通じて成長空間１０１から反応後の原料ガスを排出するガス排出設備１１３と、を備えている。

ここで、成長空間１０１とは、有毒ガスたる原料ガスが導入されて半導体結晶の成長が実施される空間を指し、大気１０４とは、人やその他の生物のために清浄であるべき空間を指す。

基板１０２は、半導体結晶の成長を開始させる出発基板となるものであり、その表面に成長させたい半導体結晶の種類に応じて様々な材料で形成されている。ここでは、複数枚の基板１０２が一定の間隔を空けて積層して配置されていることとする。

基台１０３は、内部に冷却水を流す冷却水路１１４が形成されており、インナーチューブ１０５が載置される載置台としての役割だけで無く、気密部材１０６を冷却する冷却設備としての役割も有している。

インナーチューブ１０５は、化学的耐性や熱的耐性に優れており、且つ、線膨張係数が非常に小さく、急激な温度変化による熱衝撃の影響を受けにくい石英ガラスからなり、基台１０３に載置される下端が開口されると共に上端が閉塞されたドーム形状に形成されている。このインナーチューブ１０５の大部分は、ヒータ１０８から放射された赤外線を基板１０２に低損失で伝達して基板１０２の温度を効率的に昇温させることができるように、赤外線に対して透明に形成されている。

また、インナーチューブ１０５は、開口の周囲に形成されると共に基台１０３の表面に対向するフランジ部１１５を有しており、押さえ金具１０７でフランジ部１１５を基台１０３に押さえ付けることにより、これらの間に配置される気密部材１０６を全周に亘って一定の力で押圧することができるようになっている。

気密部材１０６は、フランジ部１１５と基台１０３の表面との間に挟持されたときに、これらの形状に合わせて適切に変形し、全周に亘って確実に密着するように、弾性に優れたゴム等からなるＯリングで構成されている。

この半導体製造装置１００を使用して基板１０２の表面に半導体結晶を成長させる際には、ヒータ１０８で基板１０２を適切な温度に加熱しつつ、原料ガス供給設備１１１から供給された原料ガスを原料ガス導入管１１０を通じて成長空間１０１に導入すると共に成長空間１０１に配置された基板１０２の表面に供給し、反応後の原料ガスをガス排出管１１２を通じて成長空間１０１から排出すると共にガス排出設備１１３で無毒化して大気１０４に放出する。これらにより、基板１０２の表面で原料ガスが反応して半導体結晶が成長する。

このとき、半導体結晶の成長温度が１０００℃程度であることから、ヒータ１０８により成長空間１０１や基板１０２も１０００℃程度まで昇温される。この過程において、ヒータ１０８から放射された赤外線がインナーチューブ１０５を光導波路として伝達されることになるが、本実施の形態に係る半導体製造装置１００では、この赤外線の伝達を気密部材１０６まで至らせないように、赤外線の伝達経路が気密部材１０６に至るまでに遮断されるようになっている。

即ち、図２に示すように、インナーチューブ１０５は、赤外線１１６に対して透明な赤外線透過部１１７の他に、ヒータ１０８から放射された赤外線１１６が気密部材１０６に伝達されることを阻害する赤外線遮断部１１８を有している。

赤外線遮断部１１８は、鉛直方向の長さＬが２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。赤外線遮断部１１８が長すぎると成長空間１０１の温度分布が不均一に変化する虞があり、また赤外線遮断部１１８が短すぎると気密部材１０６の表面温度の上昇を抑制する効果が小さくなるからである。

この赤外線透過部１１７は、成長空間１０１の温度分布に影響を与えず、且つ、気密部材１０６の近傍に配置されることが好ましい。これにより、半導体結晶の成長に影響を与えることなく、気密部材１０６の熱劣化を最大限に抑制することが可能となる。

また、赤外線遮断部１１８は、原則的に赤外線１１６に対して不透明な材料で形成されている。より具体的には、赤外線遮断部１１８は、気泡が内在する石英ガラス又は表面が粗面化された石英ガラスからなる。

気泡が内在する石英ガラスでは、赤外線１１６を乱反射させると共に熱伝導率が低い空気で満たされた多数の気泡が内在しているため、インナーチューブ１０５を光導波路として伝達される赤外線１１６が気泡により乱反射されて気密部材１０６まで至り難く、更に気泡による断熱効果が発揮されてヒータ１０８からの熱で気密部材１０６が昇温され難い。

また、表面が粗面化された石英ガラスでは、インナーチューブ１０５の表面が平坦で無く、インナーチューブ１０５と空気との界面への赤外線１１６の入射角が臨界角よりも小さい場合には赤外線１１６の全反射が起こらないため、赤外線１１６がインナーチューブ１０５の外部に漏洩して気密部材１０６まで至り難い。

よって、これらの石英ガラスを赤外線遮断部１１８として採用することにより、インナーチューブ１０５を光導波路とする赤外線１１６の伝達が気密部材１０６に至るまでに遮断されるため、気密部材１０６の熱劣化を抑制することが可能となる。

実際、半導体製造装置１００により、ヒータ１０８の最大温度を１０００℃とし、耐熱温度が２７０℃の気密部材１０６を使用して半導体結晶の成長を実施したところ、１年以上経過しても気密部材１０６の熱劣化は見られなかった。

また、本実施の形態に係る半導体製造装置１００では、気密部材１０６の熱劣化を抑制してその交換頻度を従来と比較して少なくすることができるため、半導体の製造コストを削減することも可能となる。

なお、赤外線遮断部１１８としては、気泡が内在する石英ガラス又は表面が粗面化された石英ガラスの他にも、インナーチューブ１０５を光導波路とする赤外線１１６の伝達を遮断することができ、且つ、石英ガラスと溶接等により接続できるものであれば、ステンレス鋼等の異種材料で形成されたものを採用しても構わない。

また、インナーチューブ１０５を光導波路とする赤外線１１６の伝達を気密部材１０６の手前で遮断すれば良いので、インナーチューブ１０５のフランジ部１１５は、赤外線１１６に対して透明な材料で形成されていても構わない。

以上の通り、本発明によれば、気密部材１０６の表面温度が上昇することを抑制し、気密部材１０６の長寿命化を実現することが可能な半導体製造装置１００を提供することができる。

１００ 半導体製造装置
１０１ 成長空間
１０２ 基板
１０３ 基台
１０４ 大気
１０５ インナーチューブ
１０６ 気密部材
１０７ 押さえ金具
１０８ ヒータ
１０９ 断熱材
１１０ 原料ガス導入管
１１１ 原料ガス供給設備
１１２ ガス排出管
１１３ ガス排出設備
１１４ 冷却水路
１１５ フランジ部
１１６ 赤外線
１１７ 赤外線透過部
１１８ 赤外線遮断部

Claims (3)

1. 成長空間に配置された基板の表面に原料ガスを供給して前記基板の表面に半導体結晶を成長させる半導体製造装置において、
   基台と、
   前記基台に載置されると共に前記成長空間と大気とを区画するインナーチューブと、
   前記基台と前記インナーチューブとの間に配置されると共に前記基台と前記インナーチューブとの間の気密を確保する気密部材と、
   前記基板を加熱するヒータと、
   を備え、
   前記インナーチューブは、前記ヒータから放射された赤外線が前記気密部材に伝達されることを阻害する赤外線遮断部を有することを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記インナーチューブは、石英ガラスからなり、
   前記赤外線遮断部は、気泡が内在する石英ガラス又は表面が粗面化された石英ガラスからなる請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記赤外線遮断部は、鉛直方向の長さが２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の半導体製造装置。