JP2024044384A - SiCエピタキシャル成長装置 - Google Patents

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まり絵 大内
喜一 梅田
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好茂 奥野
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Abstract

【課題】ウェハ面内温度の均一性を向上させるSiCエピタキシャル成長装置を得ることを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、ウェハを載置できる載置面を有するサセプタと、前記サセプタの前記載置面と反対側に、前記サセプタと離間して設けられたヒータと、平面視で前記ウェハの外周部と重なる位置において、前記サセプタの前記載置面と対向する裏面に接触している円環状の高熱伝導部材と、を備え、前記高熱伝導部材と前記ウェハとが平面視で同心円状に配置され、前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の外周の半径は、前記ウェハの半径の100~110%の範囲であり、前記高熱伝導部材の厚みは、2mm以上かつ前記サセプタの前記裏面と前記ヒータの最下端の距離以下の厚みであり、前記高熱伝導部材の最下端の内周の半径が前記ウェハ半径の110%以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、SiCエピタキシャル成長装置に関する。
炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界が1桁大きく、バンドギャップが3倍大きい。また、炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて熱伝導率が3倍程度高い等の特性を有する。そのため炭化珪素(SiC)は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
SiCデバイスの実用化の促進には、高品質のSiCエピタキシャルウェハ、及び高品質のエピタキシャル成長技術の確立が不可欠である。
SiCエピタキシャルウェハは、SiC基板の表面にSiCエピタキシャル層を積層することで得られる。以下、SiCエピタキシャル層を積層前の基板をSiC基板と称し、SiCエピタキシャル層を積層後の基板をSiCエピタキシャルウェハと称する。SiC基板は、SiCインゴットから切り出される。
SiCエピタキシャル膜は、1500℃程度の極めて高温で成長する。成長温度は、エピタキシャル膜の膜厚、性質に大きな影響を及ぼす。そのため、ウェハ面内の温度分布を均一にすることが求められる。しかし、成膜空間内にヒータを配置し、その上方にウェハを配置するSiCエピタキシャル成長装置では、ヒータ外周部からの放熱量が大きいため、ウェハ外周部の温度が中央部の温度より低くなるという課題がある。例えば、特許文献1には、放射部材をサセプタの裏に貼り付けることで、エピタキシャル成長時のウェハ面内の温度分布を均一にできるSiCエピタキシャル成長装置が記載されている。
特許第7012518号
SiCエピタキシャルウェハを直径8インチ(200mm)以上のサイズに大型化する試みが進められているが、ウェハサイズの大型化に伴い、ウェハ面内の温度分布を均一にすることがさらに困難になる。また、成長装置の大型化が必要になるが、全ての部材を大型化するためには時間を要するうえに、大幅にコストアップするおそれがある。特にヒータの改造についてはこのような問題が顕著に現れる。そのため、極力ヒータの仕様を変更せずに、ウェハ面内の温度分布を一様にできる構造が求められる。
しかし、特許文献1に記載のSiCエピタキシャル成長装置では、ウェハ面内方向の温度差を十分抑制できないという問題があった。
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、ヒータユニットの構造や制御方法などの仕様を変えずに、大口径ウェハの外周部の温度を上昇させ、ウェハ面内温度の均一性を向上させるSiCエピタキシャル成長装置を得ることを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、以下に示す構成を備える。
(1)本発明の態様にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、ウェハを載置できる載置面を有するサセプタと、前記サセプタの前記載置面と反対側に、前記サセプタと離間して設けられたヒータと、平面視で前記ウェハの外周部と重なる位置において、前記サセプタの前記載置面と対向する裏面に接触している円環状の高熱伝導部材と、を備え、前記高熱伝導部材と前記ウェハとが平面視で同心円状に配置され、前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の外周の半径は、前記ウェハの半径の100~110%の範囲であり、前記高熱伝導部材の厚みは、2mm以上かつ前記サセプタの前記裏面と前記ヒータの最下端の距離以下の厚みであり、前記高熱伝導部材の最下端の内周の半径が前記ウェハ半径の110%以下である。
(2)上記態様にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、前記ヒータの半径が、前記ウェハの半径の75~100%の範囲であり、前記高熱伝導部材の最下端の内周の半径が前記ヒータの半径の105%以上であってもよい。
(3)上記態様にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の内周の半径が、前記ウェハの半径の80%以上100%未満の範囲であってもよい。
(4)上記態様にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、前記高熱伝導部材の中心軸を通る断面形状が直角三角形であり、前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の外周の半径と、前記高熱伝導部材の最下端の半径が等しくてもよい。
(5)上記態様にかかるSiCエピタキシャル成長装置は、1000℃以上の温度域において、前記高熱伝導部材の熱伝導率が40W/(m・K)以上であってもよい。
本発明の実施様態に係るSiCエピタキシャル成長装置によれば、ウェハの外周部の温度を上昇させ、ウェハ面内の温度均一性を向上させることができる。
実施形態にかかるSiCエピタキシャル成長装置の断面模式図である。 SiCエピタキシャル成長装置の一例の要部を拡大した断面模式図である。 実施形態の他の例の要部の断面模式図である。 実施形態の他の例の要部の断面模式図である。 実施例1と比較例1のウェハ表面の温度分布を示す図である。 実施例1~3及び比較例2のウェハ表面の温度分布を示す図である。 実施例2と比較例3のウェハ表面の温度分布を示す図である。 実施例4と実施例5のウェハ表面の温度分布を示す図である。 実施例6~8のウェハ表面の温度分布を示す図である。 実施例3、及び実施例9~11のウェハ表面の温度分布を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図1は、実施形態に係るSiCエピタキシャル成長装置100の断面模式図である。図1に示すSiCエピタキシャル成長装置100は、成膜空間Kを形成するチャンバー1を備える。チャンバー1は、ガスを供給するガス供給口2と、ガスを排出するガス排出口3とを有する。成膜空間K内には、ウェハWを水平に載置するためのサセプタ10とヒータ12と高熱伝導部材14とが設けられている。また、サセプタ10は、外周支持部16によって支持されている。以下、サセプタ10の載置面に対して垂直な方向をz方向、載置面で直交する任意の二方向をx方向、y方向とする。
ウェハWのサイズは、特に問わない。ウェハWの直径は、例えば、200mm以上でもよいし、250mm以上でもよいし、300mm以上でもよい。
図2は、図1に示したSiCエピタキシャル成長装置の要部を拡大した断面模式図である。CLは中心線を示す。サセプタ10は、載置面10aにウェハWを載置できる。サセプタ10は、載置面10aにウェハ載置領域を有する。ウェハ載置領域は、ウェハが載置された際にウェハと載置面とが接する領域であり、ウェハ載置領域の外周端とサセプタに載置されるウェハの外周端とが一致し、かつウェハ載置領域とウェハとの半径及び直径がそれぞれ一致する。サセプタ10は、公知のものを用いることができる。サセプタ10は、1500℃を超える高温に対して耐熱性を有し、原料ガスと反応性が低い材料により構成される。例えば、Ta、TaC、TaCコートカーボン、TaCコートTa、黒鉛等が用いられる。
ヒータ12は、サセプタ10の載置面10aと対向する裏面10b側に離間して設けられている。ヒータ12は公知のものを用いることができる。ヒータ12は、z方向からの平面視で、サセプタ10及びウェハWに対して同心円状に配置されていることが好ましい。サセプタ10及びウェハWと同じ中心軸に対して同心円状に配置されることで、ウェハWの均熱性を高めることができる。
高熱伝導部材14は、中央部に開口部を有する円環状の部材である。高熱伝導部材14は、z方向からの平面視でウェハWに対して同心円状に配置され、高熱伝導部材14の接触面14aは、サセプタ10の裏面10bに接触している。高熱伝導部材14の接触面14aが、ウェハWに対して同心円状にサセプタ10の裏面10bに接触していることで、熱伝導によりウェハWの端部温度を均等に上げることができる。
高熱伝導部材14の接触面14aの外周端14r1の半径R1は、ウェハWの半径の100~110%の範囲である。熱伝導性の優れる高熱伝導部材14の外周端14r1が当該範囲内にあることで、ウェハWの外周温度が中央部に対して低くなることを抑制できる。
高熱伝導部材14の厚みH1は、2mm以上である。かつ、高熱伝導部材14の厚みH1は、サセプタ10の裏面10bとヒータ12の裏面12bとの距離H2以下であり、すなわち、高熱伝導部材14の最下端の位置が前記ヒータの最下端よりも同じか高い位置にある。高熱伝導部材14に当該範囲の厚みがあることで、より効率的に吸熱し、ウェハWの外周部に温度を伝えることができる。そのため、ヒータ12の半径がウェハWの半径より小さな場合においても、ウェハWの端部温度の低下を抑制することができる。高熱伝導部材14の厚みH1は、好ましくは5mm以上であり、より好ましくは7mm以上であり、さらに好ましくは10mm以上である。
ヒータ12の半径は、ウェハWの半径の75~100%の範囲であることが好ましく、75~90%の範囲がより好ましく、75~80%の範囲がさらに好ましい。ヒータ12の半径がウェハWの半径より大きいと、SiCエピタキシャル成長装置100が大型化することに加え、ウェハWを加熱するために余計な電力を消費するため、コストアップのおそれがある。ヒータ12の半径をウェハWの半径より小さくすることで、SiCエピタキシャル成長装置100を大型化する際のコストを削減できる。例えば、ウェハWの直径が200mmの場合はヒータの直径が150mm、ウェハWの直径が250mmの場合はヒータの直径が200mm、ウェハWの直径が300mmの場合はヒータの直径が250mmとすることができる。
高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3は、ウェハWの半径の110%以下である。高熱伝導部材14の最下端14r3がウェハWより突出しすぎると、吸収した熱がウェハWより外側から逃げやすくなる。また、SiCエピタキシャル成長装置100が大型化してしまうため、望ましくない。
高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3は、ヒータ12の半径の105%以上であることが好ましい。高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3が当該範囲内であることで、効率的にヒータ12からの輻射熱を受け取り、ウェハWの外周部へ熱を伝えやすくなる。
高熱伝導部材14の接触面14aの内周端14r2の半径R2は、ウェハWの半径の80%以上100%未満の範囲であることが好ましい。高熱伝導部材14の接触面14aの内周14r2の半径R2が当該範囲内であれば、ウェハWの面内方向の温度をより均一にすることができる。
高熱伝導部材14の接触面14aの外周端14r1と最下端14r3は、z方向からの平面視で一致している、すなわち、断面形状が直角三角形であることがより好ましい。直角三角形を構成する斜辺をなす面がヒータ12に対向することにより、ヒータ12から受ける輻射熱が増えるため、ウェハWの面内の温度差をより小さくすることができる。
高熱伝導部材14は、1000℃以上の温度域において、熱伝導率が40W/(m・K)以上であることが好ましい。高熱伝導部材14の熱伝導率が高いほど、ウェハWの外周部の温度が上がりやすくなる。例えば、高熱伝導部材14には黒鉛、SiCコートカーボン、TaCコートカーボン等を用いる。
図2に示す、本実施形態のSiCエピタキシャル成長装置の一例の高熱伝導部材14の中心軸CLを通る断面形状は三角形であるが、その他の形状であってもよい。図3と図4は、高熱伝導部材14を有するSiCエピタキシャル成長装置において、高熱伝導部材14の中心軸CLを通る断面形状が図2と異なる実施形態の他の例の要部の断面模式図である。
図3に示す高熱伝導部材14は、高熱伝導部材14の中心軸CLを通る断面形状は長方形である点が、図2に示した高熱伝導部材14と異なる。
図4に示す高熱伝導部材14の中心軸CLを通る断面形状は四角形であり、高熱伝導部材14の下部が水平であり、高熱伝導部材14の最下端かつ内周端を14r3とした点が、図2に示した高熱伝導部材14と異なる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
(実施例1)
図3に示す構成のSiCエピタキシャル成長装置を用いた際のウェハ表面の温度状態をシミュレーションにより求めた。シミュレーションには、汎用熱流体解析ソフトウェアANSYS Fluent(登録商標)を用いた。シミュレーションは計算負荷を低減するために、中心軸を通る任意の断面の半分の構造を扱い、二次元でのシミュレーションを実施した。シミュレーション条件は以下の通りである。
ウェハWの半径:100mm
ヒータ12の半径:75mm
高熱伝導部材14の断面形状:図3
高熱伝導部材14の接触面14aの外周端14r1の半径R1:105mm
高熱伝導部材14の接触面14aの内周端14r2の半径R2:97mm
高熱伝導部材14の厚みH1:2mm
サセプタ10の裏面10bとヒータ12の裏面12bとの距離H2:27.7mm
高熱伝導部材14の熱伝導率:60W/(m・K)
当該条件の基、ウェハの表面温度の面内分布を求めた。
(比較例1)
比較例1は、高熱伝導部材14を設けなかった点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
図5は、実施例1と比較例1のシミュレーション結果を示す図である。図5において、横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。ここで、T(r)は位置rにおけるウェハ表面温度、T(0)はウェハ中心の表面温度を示している。図5に示すように、高熱伝導部材14をサセプタ10の裏面10bに接触させることで、ウェハの外周部の温度低下が抑制された。
(実施例2)
実施例2は、高熱伝導部材14の厚みH1を7mmとした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
(実施例3)
実施例3は、高熱伝導部材14の厚みH1を20mmとした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
(比較例2)
比較例2は、高熱伝導部材14の厚みH1を0.5mmとした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
図6は、実施例1~3、及び比較例2のウェハ表面の温度分布を示す図である。横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。図6に示すように、高熱伝導部材14が2mm以上の厚みを有すると、ウェハ面内の温度分布がより均一となることが分かる。
(比較例3)
比較例3は、高熱伝導部材14の接触面14aの外周端14r1の半径R1を90mm、高熱伝導部材14の接触面14aの内周端14r2の半径R2を82mmとした点が実施例2と異なる。その他の条件は実施例2と同様にした。
図7は、実施例2と比較例3のウェハ表面の温度分布を示す図である。横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。図7に示すように、高熱伝導部材14の接触位置によって、ウェハ面内の温度分布は異なる。比較例3のように、R1=90mmの高熱伝導部材14をサセプタ14の裏面14bに接触させた場合、ウェハ中心から径方向90mmまでの温度変化量T(r)-T(0)は小さいが、径方向90mm以遠の外周における温度変化量T(r)-T(0)は急激に大きくなるため、ウェハ面内の温度分布を十分抑制できないことが分かる。
(実施例4)
高熱伝導部材14の断面形状が図4である場合のSiCエピタキシャル成長装置において、ウェハ面内の温度分布をシミュレーションにより求めた。
実施例4は、断面形状が図4であり、高熱伝導部材14の最下端かつ内周端14r3の半径R3を80mm、高熱伝導部材14の厚みH1を10mmとした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。実施例4における高熱伝導部材14の断面形状は、より正確には平行四辺形である。
(実施例5)
実施例5は、高熱伝導部材14の最下端かつ内周端14r3の半径R3を90mmとした点が実施例4と異なる。その他の条件は実施例4と同様にした。
図8は、実施例4と実施例5のウェハ表面の温度分布を示す図である。横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。図8に示すように、高熱伝導部材14の断面が図4に示す鈍角である角を有する凸四角形の形状であると、ウェハ外周部の温度低下が抑制される。さらに、高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3が、ヒータ半径の105%以上であることで、ヒータ12からの輻射熱を効率的に受け取り、ウェハの外周部に熱を伝えることができる。
(実施例6)
高熱伝導部材14の断面形状が図2である場合のSiCエピタキシャル成長装置において、ウェハ面内の温度分布をシミュレーションにより求めた。
実施例6は、断面形状が図2であり、高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3を105mm、高熱伝導部材14の厚みH1を27.7mmとした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
(実施例7)
実施例7は、高熱伝導部材14の接触面14aの内周端14r2の半径R2を85mmとした点が実施例6と異なる。その他の条件は実施例6と同様にした。
(実施例8)
実施例8は、高熱伝導部材14の最下端14r3の半径R3を85mmとした点が実施例7と異なる。その他の条件は実施例7と同様にした。
図9は、実施例6~8のウェハ表面の温度分布を示す図である。横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。図9に示すように、高熱伝導部材14の断面が図2の形状であるとき、ウェハ外周部の温度低下が抑制される。なお、高熱伝導部材14とサセプタ10の接触面積が広く、高熱伝導部材14の接触面14aの外周端14r1と最下端14r3がz方向からの平面視で一致していると、高熱伝導部材14の断面をなす直角三角形の斜辺がヒータ12と対向することで、ウェハ面内温度をより均一にすることができる。
(実施例9)
実施例9は、高熱伝導部材14の熱伝導率を50W/(m・K)にした点が実施例3と異なる。その他の条件は実施例3と同様にした。
(実施例10)
実施例10は、高熱伝導部材14の熱伝導率を40W/(m・K)にした点が実施例3と異なる。その他の条件は実施例3と同様にした。
(実施例11)
実施例11は、高熱伝導部材14の熱伝導率を30W/(m・K)にした点が実施例3と異なる。その他の条件は実施例3と同様にした。
図10は、実施例3、及び実施例9~11のウェハ表面の温度分布を示す図である。横軸がウェハ中心からの径方向の位置r、縦軸がその地点でのウェハ表面の中心との温度変化量T(r)-T(0)である。図10に示すように、高熱伝導部材14の熱伝導率が高いほど、ウェハ外周部に熱が伝わりやすくなるため温度均一性が向上する。
表1にこれらの検討結果をまとめた。温度変化量ΔTは、ウェハ温度が最も低くなっている点におけるT(r)-T(0)を示す。
1 チャンバー
2 ガス供給口
3 ガス排出口
10 サセプタ
10a 載置面
10b 裏面
12 ヒータ
12b 裏面
14 高熱伝導部材
14a 接触面
14r1 接触面の外周端
14r2 接触面の内周端
14r3 最下端の内周端
16 外周支持部
100 SiCエピタキシャル成長装置
W ウェハ
K 成膜空間
CL 中心線





Claims (5)

  1. ウェハを載置できる載置面を有するサセプタと、
    前記サセプタの前記載置面と反対側に、前記サセプタと離間して設けられたヒータと、
    平面視で前記ウェハの外周部と重なる位置において、前記サセプタの前記載置面と対向する裏面に接触している円環状の高熱伝導部材と、を備え、
    前記高熱伝導部材と前記ウェハとが平面視で同心円状に配置され、
    前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の外周の半径は、前記ウェハの半径の100~110%の範囲であり、
    前記高熱伝導部材の厚みは、2mm以上かつ前記サセプタの前記裏面と前記ヒータの最下端の距離以下の厚みであり、
    前記高熱伝導部材の最下端の内周の半径が前記ウェハ半径の110%以下である、SiCエピタキシャル成長装置。
  2. 前記ヒータの半径が、前記ウェハの半径の75~100%の範囲であり、
    前記高熱伝導部材の最下端の内周の半径が前記ヒータの半径の105%以上である、請求項1に記載のSiCエピタキシャル成長装置。
  3. 前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の内周の半径は、前記ウェハの半径の80%以上100%未満の範囲である、請求項1または2に記載のSiCエピタキシャル成長装置。
  4. 前記高熱伝導部材の中心軸を通る断面形状が直角三角形であり、前記高熱伝導部材の前記サセプタと接触している面の外周の半径と、前記高熱伝導部材の最下端の半径が等しい、請求項1または2に記載のSiCエピタキシャル成長装置。
  5. 1000℃以上の温度域において、前記高熱伝導部材の熱伝導率が40W/(m・K)以上である請求項1または2に記載のSiCエピタキシャル成長装置。

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