JP3603216B2 - Thin film growth equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜成長装置さらにはウェハ面内を均熱化するウェハホルダを備えた気相成長装置に関し、例えばウェハが自転または自公転する機構を有する化合物半導体結晶成長用のMOCVD(有機金属気相成長)法に使用される装置に適用して有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5には、従来の熱幅射型基板加熱方式の化合物半導体結晶成長用MOCVD装置が示されている。このMOCVD装置は、ウェハが載置されるグラファイト製等のウェハトレイ1、複数のウェハトレイ1を支持するグラファイト製等のサセプタ2、サセプタ2を裏側から加熱する複数の同心円状のヒータ3、及びサセプタ2を回転可能に支持する支持軸4を有している。ウェハトレイ1、サセプタ2及びヒータ3はリアクタ6に収納されており、そのリアクタ6の周囲は水冷されている。この装置では、ウェハは、支持軸4の回りを公転、あるいは公転とともに自転しながら、ヒータ3からの幅射熱により加熱される。
【0003】
ウェハトレイ1は、図6に示すように、ウェハを載置する平面形状円形で凹状のウェハ載置部5を有しているとともに、その裏側にはサセプタ2と嵌合する突起部7を有している。一方、サセプタ2には、トレイ1の突起部7が嵌入される凹部が形成されている。
【0004】
原料ガスは、リアクタ6の中心部上部のガス導入口より導入され、ウェハ上で化学反応して結晶を析出する。そしてその反応により生成したガスや未反応ガスは、リアクタ6の側部に設けられたガス排出口を介して外部に排出される。
【0005】
MOCVD法では、成膜された膜の組成や特性は、ウェハの温度に敏感であるため、ウェハ全面に均一な膜を成長させるには、成膜中のウェハ表面の温度分布を均一に保つ必要がある。
【0006】
しかし、上述した構成の装置の場合、同心円状のヒータ3の出力比を調整しても、ウェハ中心部の温度が最も高く、周辺部の温度が最も低くなるような温度分布となってしまい、成長した膜の組成や特性は不均一になってしまう。
【0007】
そこで、気相成長法において、成膜時のウェハ表面の温度分布を均一に保つようにした提案が種々なされている。特公昭55−28546号公報には、サセプタを支持する支持板付近のサセプタの厚さを薄くするか、もしくはサセプタに溝を設けることにより、サセプタから支持板への熱伝導を抑制するようにしたCVD装置について開示されている。特開平1−203291号公報には、基板ホルダの、基板受け部の周囲の表面上に、フローガスを受け入れる凹凸の溝を形成し、そのガスフローにより半導体基板の温度分布を均一化するようにした基板ホルダについて開示されている。特開平1−291421号公報には、サセプタの、基板を保持する座ぐり部の周辺に溝を形成し、その溝に反応生成物が落下補集されることにより、基板とサセプタとを密着させて基板の温度分布を均一化するようにした気相成長装置について開示されている。特公平4−5000号公報には、サセプタの基板設置部分に、基板中心部との間隔が基板外周部との間隔よりも大きくなるような凹部を形成し、基板外周部の温度が基板中心部の温度よりも低くなるのを防ぐようにした気相成長装置について開示されている。特開平9−36049号公報には、サセプタに該当するウェハホルダの、ウェハを受けるウェハポケットの裏面全域に凸部を形成し、ウェハポケットの肉厚を厚くすることにより、ウェハ周辺部での高温化を防ぐようにした気相成長装置について開示されている。特開平7−277885号公報には、サセプタ内部に、基板中央部から外周に向かってテーパ状に広がる空洞を形成し、サセプタの径方向に生じる温度差を補償することにより、基板表面の温度を均一化するようにした気相エピタキシャル装置について開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記何れの公報に記載された技術においても、サセプタを加工するか、またはサセプタを専用に設計して作製しなければならないという欠点がある。また、ウェハ表面の温度分布を均一化する効果も、十分に得られない。
【0009】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、簡便な手段により、ウェハ面内を均熱化することができる薄膜成長装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するにあたり、本発明者らは、サセプタ上のウェハ表面の温度分布が不均一になる原因は、リアクタ中心部から外側に向かって放射状に放散される熱の量が多いからである、と考えた。そこで、リアクタの中心よりも外側に位置するウェハトレイのウェハ載置部の周辺部から、熱の良伝導体であるサセプタヘ熱が逃げるのを制限すれば良いと考え、鋭意検討を重ねた結果、本発明に至った。
【0011】
すなわち、本発明は、薄板状のウェハが載置されるウェハトレイと、該ウェハトレイを所定位置に保持するサセプタとを備えた薄膜成長装置において、前記ウェハトレイの表側にウェハ載置部が設けられ、かつ同ウェハトレイの裏側に、ウェハトレイからの熱の放散を遮断する断熱部が設けられており、前記断熱部は、前記サセプタと接触する周辺部よりも内側であって前記ウェハ載置部の周縁の下方近傍を取り囲むように設けられていることを特徴とするものである。
【0012】
この発明によれば、ウェハトレイからの殆どの熱はサセプタと接触する周辺部を介してサセプタヘ放散すると考えられるため、その内側に断熱部が設けられていることにより、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量が減少するので、ウェハ周辺部の温度が上昇し、ウェハ表面の温度を均一にすることができる。
【0013】
また、この発明によれば、サセプタを改造する必要がないため、既存の薄膜成長装置をそのまま使用することができる。そして、ウェハの種類や成膜条件等に応じて適切に設計されたウェハトレイを用意することにより、ウェハ温度の均一化を図ることができるので、その有用性は非常に高い。
【0014】
なお、ウェハトレイのウェハ載置部より内側に断熱部が設けられている場合には、その断熱部よりも外側のウェハ周縁の温度が低下してしまい、ウェハ表面の温度プロファイルがM型になってしまうので、好ましくない。また、ウェハトレイの突起部より外側に断熱部がある場合には、当然のことながら、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量を減少させることはできないので、ウェハ表面の温度を均一化する効果が得られない。
【0015】
上記発明において、前記断熱部が溝で形成されていてもよい。そうすれば、最も簡便にウェハ表面の温度を均一化する効果が得られる。ここで、溝の深さ及び位置等については、それぞれの薄膜成長装置の構造等に応じて、予備実験等により決定する。
【0016】
なお、溝を形成する以外にも、ウェハトレイの一部を熱の不導体で形成することにより、断熱部を形成するようにしてもよい。
【0017】
また、ウェハトレイの表面に溝を設けるのは、原料ガスの流れを乱すことになるため、好ましくない。
【0018】
さらに、本発明は、有機金属気相成長法において使用される装置に適用するものであってもよい。そうすれば、ウェハ表面の温度を均一な状態に保ちながら薄膜を成長させることができるMOCVD装置が得られる。
【0019】
ところで、特開平4−182386号公報には、サセプタの、基板の周縁部に対応する位置に溝を形成し、基板周縁部がサセプタに接触しないようにすることにより、クラックの発生を防ぐようにした発明について開示されている。しかし、この発明は、基板周縁部の温度を中心部よりも不安定にすることにより、基板周縁部の結晶性を悪くするものであり、本発明とは技術的思想が全く異なる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の一例を説明する。
【0021】
図1には、本発明を適用した熱幅射型基板加熱方式の化合物半導体結晶成長用MOCVD装置の一例が示されている。このMOCVD装置は、従来同様、ウェハが載置されるグラファイト製等のウェハトレイ10、複数のウェハトレイ10を支持するグラファイト製等のサセプタ2、サセプタ2を裏側から加熱する複数の同心円状のヒータ3、及びサセプタ2を回転可能に支持する支持軸4を有している。ウェハトレイ10、サセプタ2及びヒータ3は、従来同様、リアクタ6に収納されており、そのリアクタ6の周囲は水冷されている。この装置では、ウェハは、支持軸4の回りを公転、あるいは公転とともに自転しながら、ヒータ3からの幅射熱により加熱される。
【0022】
ウェハトレイ10は、図2に示すように、ウェハを載置する平面形状円形で凹状のウェハ載置部5を有しているとともに、その裏側にはサセプタ2と嵌合する突起部7、及びその突起部7、すなわちサセプタと接触する周辺部よりも内側でかつウェハ載置部5の周よりも外側に断熱部8を有している。
【0023】
断熱部8は、例えば溝により構成されている。この溝は、例えばウェハ載置部5の周と同心円をなすように形成されている。
【0024】
サセプタ2には、ウェハトレイ10を収容する平面形状円形で凹状のトレイ受部9が複数箇所、例えば図3に示すように3枚のウェハトレイを収容可能なように、3箇所に形成されている。なお、サセプタ2には、トレイ受部が2箇所に設けられていてもよいし、4箇所以上に設けられていてもよい。
【0025】
サセプタ2の、トレイ受部9には、従来同様、トレイ10の突起部7が嵌入される凹部が形成されている。その凹部にウェハトレイ10の突起部7が嵌入されることにより、ウェハトレイ10は、サセプタ上の所定位置に位置決めされる。そして、サセプタ2とウェハトレイ10との間には、ウェハトレイ10の断熱部8により生じた間隙が存在することとなる。この間隙があることにより、ウェハトレイ10のウェハ載置部5の周辺部からサセプタ2ヘ熱が逃げるのが抑制される。
【0026】
リアクタ6に対するガスの導入及び排出については従来同様である。すなわち、原料ガスは、リアクタ6の中心部上部のガス導入口より導入され、ウェハ上で化学反応して結晶を析出する。そしてその反応により生成したガスや未反応ガスは、リアクタ6の側部に設けられたガス排出口を介して外部に排出される。
【0027】
上記実施形態によれば、ウェハトレイ10の裏側で、かつサセプタ2と接触する周辺部とウェハ載置部5の周との間に溝状の断熱部8が設けられているため、このウェハトレイ10がサセプタ2に収容された状態では、サセプタ2とウェハトレイ10との間に断熱部8により生じた間隙が存在することとなり、ウェハ載置部5の周辺部からサセプタ2ヘ逃げる熱の量が減少し、ウェハ周辺部の温度が上昇するので、ウェハ表面の温度を均一にすることができる。従って、ウェハ面内における化合物半導体等の結晶の組成や特性の均一性を向上させることができる。
【0028】
なお、断熱部8は、上述したような溝に限らず、ウェハ載置部5の周辺部からサセプタ2ヘ熱が逃げるのを抑制することができれば、ウェハトレイ10の一部を熱の不導体で形成することにより構成されていてもよい。
【0029】
【実施例】
以下に、MOCVD装置を用いて本発明者らが行った、ウェハ表面の温度プロファイルの測定結果について説明する。MOCVD装置として、図1に示す構成の縦型MOCVD装置を用いた。サセプタ2はグラファイト製のものであり、ウェハトレイ10は図2に示す構成でカーボン製のものを用いた。ウェハトレイ10のウェハ載置部5は、直径101mmの円形状の凹部をなすよう形成されていた。ウェハトレイ10の断熱部8は、ウェハトレイ10の突起部7の内側近傍に形成された同心円上の溝で構成されており、その溝の幅は2mmであり、かつその深さは4mmであった。ウェハとして、熱電対を埋め込んだシリコンウェハを用い、これをウェハトレイ10のウェハ載置部5に載置した。
【0030】
温度プロファイルの測定を、30TorrのH2 減圧雰囲気下において、ウェハトレイ中央部の温度を約700℃と約650℃の2通りに設定して行った。比較のため、断熱部8の溝がないウェハトレイ(図6参照)を用いて、同じ装置及び同じ条件で温度プロファイルの測定を行った。
【0031】
プロファイルの測定結果を図4に示す。図4において、横軸の位置が0(ゼロ)の点はウェハの中心点に対応しており、−40mmと+40mmの点はそれぞれウェハの中心点を挟んで相対するウェハ周縁部に対応している。また、図4において、上側のプロットは設定温度を約700℃としたものであり、下側のプロットは設定温度を約650℃としたものである。さらに、図4において、黒丸(●)のプロットは、断熱部8の溝を有する、本発明に係るウェハトレイ10を用いたものであり、白丸(○)のプロットは、断熱部のないウェハトレイ(図6参照)を用いたものである(比較例)。
【0032】
図4から明らかなように、ウェハトレイ10の中心部(0の点)と周縁部(−40mmと+40mmの点)との温度差は、トレー中心部の設定温度が700℃の場合には、20℃から12℃であり、またトレー中心部の設定温度が650℃の場合には、14℃から3℃であり、何れの場合にも、断熱部を設けていない比較例に比べて大幅に改善されていることがわかった。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、薄板状のウェハが載置されるウェハトレイと、該ウェハトレイを所定位置に保持するサセプタとを備えた薄膜成長装置において、前記ウェハトレイの表側にウェハ載置部が設けられ、かつ同ウェハトレイの裏側に、ウェハトレイからの熱の放散を遮断する断熱部が設けられており、前記断熱部は、前記サセプタと接触する周辺部よりも内側であって前記ウェハ載置部の周縁の下方近傍を取り囲むように設けられているため、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量が減少し、ウェハ周辺部の温度が上昇するので、ウェハ表面の温度を均一にすることができ、従ってウェハ面内における化合物半導体等の結晶の組成や特性の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄膜成長装置の一例の概略を示す断面図である。
【図2】本発明に係る薄膜成長装置において使用されるウェハトレイの一例を示す断面図である。
【図3】サセプタとウェハトレイとヒータとの位置関係を示す模式図である。
【図4】本発明に係る薄膜成長装置と従来の薄膜成長装置の温度プロファイルを示す特性図である。
【図5】従来の薄膜成長装置の概略を示す断面図である。
【図6】従来のウェハトレイを示す断面図である。
【符号の説明】
2 サセプタ
3 ヒータ
4 支持軸
5 ウェハ載置部
6 リアクタ
7 突起部
8 断熱部
9 トレイ受部
10 ウェハトレイ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film growth apparatus and a vapor phase growth apparatus provided with a wafer holder for equalizing the temperature within a wafer surface. For example, a MOCVD (organic metal vapor phase) for growing a compound semiconductor crystal having a mechanism in which a wafer rotates or revolves. The present invention relates to a technique that is useful when applied to an apparatus used for the (growth) method.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows a conventional MOCVD apparatus for growing a compound semiconductor crystal of the thermal radiation type substrate heating method. The MOCVD apparatus includes a wafer tray 1 made of graphite or the like on which a wafer is placed, a
[0003]
As shown in FIG. 6, the wafer tray 1 has a circular and concave
[0004]
The source gas is introduced from a gas inlet above the center of the
[0005]
In the MOCVD method, the composition and characteristics of the formed film are sensitive to the temperature of the wafer, so that in order to grow a uniform film over the entire surface of the wafer, it is necessary to maintain a uniform temperature distribution on the wafer surface during the film formation. There is.
[0006]
However, in the case of the apparatus having the above-described configuration, even if the output ratio of the
[0007]
Therefore, various proposals have been made in the vapor phase growth method to keep the temperature distribution on the wafer surface uniform during film formation. In Japanese Patent Publication No. 55-28546, heat conduction from the susceptor to the support plate is suppressed by reducing the thickness of the susceptor near the support plate supporting the susceptor or by providing a groove in the susceptor. A CVD apparatus is disclosed. Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 1-203291 discloses that a concave and convex groove for receiving a flow gas is formed on a surface of a substrate holder around a substrate receiving portion so that a temperature distribution of a semiconductor substrate is made uniform by the gas flow. The disclosed substrate holder is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-291421 discloses a susceptor in which a groove is formed around a counterbore for holding a substrate, and a reaction product is dropped and collected in the groove so that the substrate and the susceptor are brought into close contact with each other. There is disclosed a vapor phase growth apparatus in which the temperature distribution of a substrate is made uniform. In Japanese Patent Publication No. 4-5000, a recess is formed in the substrate mounting portion of the susceptor so that the distance from the substrate center is larger than the distance from the substrate outer periphery. Discloses a vapor phase growth apparatus configured to prevent the temperature from becoming lower than the temperature. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-36049 discloses that a wafer holder corresponding to a susceptor has a convex portion formed on the entire back surface of a wafer pocket for receiving a wafer, and the thickness of the wafer pocket is increased to increase the temperature in the peripheral portion of the wafer. A vapor phase growth apparatus designed to prevent the above is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-277885 discloses that a cavity is formed inside a susceptor that expands in a tapered shape from the center of the substrate toward the outer periphery, thereby compensating for a temperature difference occurring in the radial direction of the susceptor, thereby reducing the temperature of the substrate surface. A vapor phase epitaxy apparatus designed to be uniform is disclosed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, any of the techniques described in the above publications has a disadvantage that the susceptor must be processed or the susceptor must be designed and manufactured exclusively. Further, the effect of making the temperature distribution on the wafer surface uniform cannot be sufficiently obtained.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thin film growth apparatus capable of equalizing the temperature in a wafer surface by simple means.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have found that the reason why the temperature distribution on the wafer surface on the susceptor becomes non-uniform is that a large amount of heat is radiated radially outward from the center of the reactor. , Thought. Therefore, we thought that it was only necessary to limit the escape of heat to the susceptor, which is a good conductor of heat, from the periphery of the wafer mounting part of the wafer tray located outside the center of the reactor. Invented the invention.
[0011]
That is, the present invention provides a thin film growth apparatus including a wafer tray on which a thin wafer is placed, and a susceptor for holding the wafer tray at a predetermined position, wherein a wafer placement portion is provided on the front side of the wafer tray, and On the back side of the wafer tray, there is provided a heat insulating portion for blocking heat dissipation from the wafer tray, and the heat insulating portion is located inside a peripheral portion in contact with the susceptor and below a peripheral edge of the wafer mounting portion. It is provided so as to surround the vicinity .
[0012]
According to the present invention, since most of the heat from the wafer tray is considered to be radiated to the susceptor through the peripheral portion that comes into contact with the susceptor, the heat insulating portion is provided inside the susceptor. Since the amount of heat escaping from the portion to the susceptor decreases, the temperature at the peripheral portion of the wafer increases, and the temperature on the wafer surface can be made uniform.
[0013]
Further, according to the present invention, there is no need to modify the susceptor, so that an existing thin film growth apparatus can be used as it is. Since the temperature of the wafer can be made uniform by preparing a wafer tray appropriately designed in accordance with the type of the wafer, film forming conditions, and the like, the usefulness thereof is extremely high.
[0014]
When a heat insulating portion is provided inside the wafer mounting portion of the wafer tray, the temperature of the wafer periphery outside the heat insulating portion decreases, and the temperature profile on the wafer surface becomes M-shaped. It is not preferable. In addition, when the heat insulating portion is provided outside the protrusion of the wafer tray, the amount of heat escaping from the peripheral portion of the wafer mounting portion of the wafer tray to the susceptor cannot be reduced. The effect of uniformity cannot be obtained.
[0015]
In the above invention, the heat insulating portion may be formed by a groove. In this case, the effect of uniformizing the temperature on the wafer surface can be obtained most simply. Here, the depth, position, and the like of the groove are determined by preliminary experiments and the like according to the structure of each thin film growth apparatus.
[0016]
In addition, other than forming the groove, the heat insulating portion may be formed by forming a part of the wafer tray with a heat non-conductor.
[0017]
Also, providing a groove on the surface of the wafer tray is not preferable because it disturbs the flow of the source gas.
[0018]
Further, the present invention may be applied to an apparatus used in metal organic chemical vapor deposition. Then, an MOCVD apparatus capable of growing a thin film while keeping the temperature on the wafer surface uniform can be obtained.
[0019]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-182386 discloses a susceptor in which a groove is formed at a position corresponding to the peripheral portion of a substrate so that the peripheral portion of the substrate does not contact the susceptor so as to prevent the occurrence of cracks. The disclosed invention is disclosed. However, in the present invention, the crystallinity of the peripheral portion of the substrate is deteriorated by making the temperature of the peripheral portion of the substrate more unstable than that of the central portion, and the technical idea is completely different from that of the present invention.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example of an embodiment of the present invention will be described.
[0021]
FIG. 1 shows an example of a MOCVD apparatus for growing a compound semiconductor crystal of the thermal radiation type substrate heating system to which the present invention is applied. The MOCVD apparatus includes a
[0022]
As shown in FIG. 2, the
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
As in the related art, the tray receiving portion 9 of the
[0026]
The introduction and discharge of gas into and from the
[0027]
According to the above embodiment, since the groove-shaped
[0028]
The
[0029]
【Example】
Hereinafter, the results of measurement of the temperature profile on the wafer surface performed by the present inventors using an MOCVD apparatus will be described. As the MOCVD apparatus, a vertical MOCVD apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was used. The
[0030]
The measurement of the temperature profile was performed under a reduced pressure atmosphere of H 2 at 30 Torr while setting the temperature of the central portion of the wafer tray in two ways, about 700 ° C. and about 650 ° C. For comparison, a temperature profile was measured using the same apparatus and under the same conditions using a wafer tray having no groove in the heat insulating portion 8 (see FIG. 6).
[0031]
FIG. 4 shows the measurement results of the profile. In FIG. 4, the point at which the position of the horizontal axis is 0 (zero) corresponds to the center point of the wafer, and the points of −40 mm and +40 mm correspond to the wafer peripheral portions opposed to each other across the center point of the wafer. I have. In FIG. 4, the upper plot shows the set temperature of about 700 ° C., and the lower plot shows the set temperature of about 650 ° C. Further, in FIG. 4, the plot of black circles (●) is obtained by using the
[0032]
As is clear from FIG. 4, the temperature difference between the central portion (point 0) and the peripheral portion (points −40 mm and +40 mm) of the
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a thin film growth apparatus including a wafer tray on which a thin wafer is placed, and a susceptor for holding the wafer tray at a predetermined position, a wafer placement section is provided on a front side of the wafer tray, and On the back side of the wafer tray, there is provided a heat insulating portion for blocking heat dissipation from the wafer tray, and the heat insulating portion is located inside a peripheral portion in contact with the susceptor and below a peripheral edge of the wafer mounting portion. Since it is provided so as to surround the vicinity, the amount of heat escaping from the peripheral portion of the wafer mounting portion of the wafer tray to the susceptor decreases, and the temperature of the peripheral portion of the wafer rises, so that the temperature of the wafer surface can be made uniform. Therefore, the uniformity of the composition and characteristics of the crystal such as the compound semiconductor in the wafer surface can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an example of a thin film growth apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a wafer tray used in the thin film growth apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a positional relationship among a susceptor, a wafer tray, and a heater.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing temperature profiles of a thin film growth apparatus according to the present invention and a conventional thin film growth apparatus.
FIG. 5 is a sectional view schematically showing a conventional thin film growth apparatus.
FIG. 6 is a sectional view showing a conventional wafer tray.
[Explanation of symbols]
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