JP4790449B2 - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関するものであり、特に、気相成長面を下向きにして基板を保持するフェースダウン型の気相成長装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの分野において、所望の組成を持った薄膜を被処理基板に形成する成膜処理技術に対する要求がますます高まってきている。特に、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相蒸着法）は、光デバイスや高速デバイス等に有用な化合物半導体の薄膜を形成する成膜処理技術として注目されている。

ＭＯＣＶＤ法には、基板回転機構を備えた成膜装置が用いられる。この成膜装置は、反応性を有する原料ガスを、被処理基板表面に導入する。これにより、被処理基板表面で生じた化学反応によって、被処理基板に薄膜が形成される。ＭＯＣＶＤ法では、化学反応によって、所望の薄膜を均一に形成することが重要である。

図１０は、従来のフェースダウン型横型ＭＯＣＶＤ装置の構造を示す縦断面図である。図１０に示すように、従来のフェースダウン型横型ＭＯＣＶＤ装置においては、チャンバ１０１を貫通する流路構成部材１０７が設置され、その一端にガス供給口１０３が形成され、他端にはガス排出口１０４が形成されている。流路構成部材１０７の略中央部には、円形の開口部１１０が設けられており、開口部１１０には、被処理基板１１１を載置する基板保持部１１２と、基板保持部１１２を保持するサセプタ１１３とが配置されている。

また、基板保持部１１２の上部には、均熱部材１０９が設置されている。均熱部材１０９は、被処理基板１１１との間に隙間を有するように設置されている。均熱部材１０９は、熱伝導率の高い材料から構成できる。熱伝導率の高い材料としては、例えば、グラファイト、ＳｉＣコートを施したグラファイト、およびＳｉＣ等を用いることができる。

均熱部材１０９の上部には、基板加熱ヒータ１１５が配設されている。基板加熱ヒータ１１５は、均熱部材１０９を輻射加熱し、均熱部材１０９を介して、被処理基板１１１を所望の温度まで昇温することができる。

図１０のＭＯＣＶＤ装置では、被処理基板１１１と均熱部材１０９との間に隙間がある。これにより、温度ムラによって被処理基板１１１が変形しても、均熱部材１０９と被処理基板１１１とが接触しない。従って、均熱部材１０９と被処理基板１１１との接触による、被処理基板１１１の局所加熱の発生を防止することができる。

被処理基板１１１と均熱部材１０９とが接触すると、被処理基板１１１に余分な応力がかかることにもなる。特に、ＭＯＣＶＤ装置においては、被処理基板１１１を１１００℃といった高温にすることが必要となる。このため、被処理基板１１１に余分な応力がかかると、被処理基板１１１に割れが発生し易くなる。均熱部材１０９と被処理基板１１１との間に隙間を有していると、被処理基板１１１の割れを防止することもできる。

図１０のＭＯＣＶＤ装置により被処理基板１１１の表面に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）を、ガス供給口１０３から、流路構成部材１０７で形成された反応室１０２へ導入する。このとき、基板加熱ヒータ１１５により均熱部材１０９を介して被処理基板１１１が加熱され、被処理基板１１１上での成膜化学反応が促進される。これにより、被処理基板１１１上に薄膜が形成される。被処理基板１１１上を通過したガスは、ガス排出口１０４より排出される。

ところで、ＭＯＣＶＤ法によって所望の薄膜を形成する際、反応性を有する原料ガスによって被処理基板１１１表面で起こる反応は、極めて複雑なメカニズムを有することが知られている。すなわち、被処理基板１１１の温度，原料ガスの温度・流速・圧力，原料ガスに含まれる活性化学種の種類，反応系における残留ガス成分等、多数のパラメータが、被処理基板１１１表面での反応に寄与する。このため、ＭＯＣＶＤ法によって、これらのパラメータを制御して所望の薄膜を形成することは極めて難しい。

このようなフェースダウン型横型ＭＯＣＶＤ装置によって、品質の良い優れた結晶成長を実現するためには、被処理基板１１１の均一な面内温度分布を得る必要がある。そのため、被処理基板１１１の面内温度分布を均一にするための様々な方式が提案されている。

例えば、特許文献１には、被処理基板１１１の面内温度分布を均一にするための技術が開示されている。図１１は、従来技術（特許文献１）における気相成長装置の構造を示す断面図である。

図１１の気相成長装置は、チャンバ１０１内に原料ガスを送り込んで、半導体あるいは絶縁体の被処理基板１１１上に、エピタキシャル成長により薄膜結晶を成長させるものである。図１１の気相成長装置では、円筒状の凹部１３０と凹部周囲の環状の凸部１３１とを有する均熱部材１０９を介して、被処理基板１１１に、基板加熱ヒータ１１５の輻射熱を与えることによって、被処理基板１１１が加熱される。より詳細には、被処理基板１１１の中心に向けた熱（熱量）は円筒状の凹部１３０を通して与えられ、被処理基板１１１の周囲に向けた熱（熱量）は環状の凸部１３１を通して与えられる。

上記の構成をとることで、被処理基板１１１に与えられる加熱源の熱量が被処理基板１１１の中心より被処理基板１１１の周囲が大きくなるように傾斜を持たせて被処理基板１１１を加熱することができる。これにより、被処理基板１１１の中心の温度と被処理基板１１１の周辺の温度は同一に保持されるようになる。
特開２００１−２４９４号公報（２００１年１月９日公開）

しかしながら、従来のＭＯＣＶＤ装置では、被処理基板の温度分布を均一にすることと、被処理基板の割れを防ぐこととを、同時に満足できないという問題点を有している。

具体的には、図１０に示す、従来のフェースダウン型横型ＭＯＣＶＤ装置によると、均熱部材１０９が基板保持部１１２に接触して保持される。このため、均熱部材１０９の温度分布は、中心が高く、外周部が低くなる。その結果、均熱部材１０９からの輻射熱によって加熱される被処理基板１１１の温度分布も、中心部よりも外周部が低下してしまう。従って、被処理基板１１１の温度分布を均一にすることが出来ないという問題がある。

また、図１１の気相成長装置は、被処理基板１１１に与えられる熱量が、被処理基板１１１の中心より、被処理基板１１１の外周部において大きくなるように加熱されるように構成されている。このため、被処理基板１１１の温度分布を均一にすることができる。しかしながら、被処理基板１１１は、均熱部材１０９とサセプタ１１３とに挟持されるため、被処理基板１１１の熱膨張や、表裏面の温度差に起因する変形が発生した際には、過拘束により、被処理基板１１１に割れが発生し易くなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、被処理基板の温度分布を均一にするとともに、被処理基板の割れを防ぐことのできる気相成長装置および気相成長方法を提供することである。

本発明の気相成長装置は、上記の課題を解決するために、反応炉内に、成膜処理を施す被処理基板と、被処理基板を加熱するための基板加熱部と、被処理基板と基板加熱部との間に配置され、被処理基板表面の温度を均一にするための均熱部材と、被処理基板の成膜面を鉛直下向きに保持するとともに、上記被処理基板と均熱部材との間には隙間が形成されるように均熱部材を保持する基板保持部とを備え、上記基板保持部は、基板保持部における均熱部材を保持する均熱部材保持面に、均熱部材のない露出部を有することを特徴としている。

本発明の気相成長装置は、被処理基板の成膜面（表面）を鉛直方向下向きに保持する、いわゆるフェースダウン型の気相成長装置である。

上記の構成によれば、被処理基板と均熱部材との間には、隙間が形成されている。このため、外部から均熱部材に応力がかかったとしても、その応力が直接、被処理基板にかかることはない。従って、その隙間によって、被処理基板の割れを防止することができる。

しかも、上記の構成によれば、基板保持部は、基板保持部における均熱部材を保持する均熱部材保持面に、均熱部材のない露出部を有している。つまり、基板保持部の均熱部材を保持する面の一部が露出されている。これにより、被処理基板近傍の基板保持部の温度を上昇させることが可能となる。従って、被処理基板の成膜面全体の温度分布を、均一にすることができる。

このように、本発明の気相成長装置によれば、被処理基板の割れを防止するとともに、被処理基板の温度分布を均一にすることができる。それゆえ、品質の高い優れた結晶成長を実現することができる。

なお、「基板保持部における均熱部材を保持する均熱部材保持面に、均熱部材のない露出部を有している」とは、「均熱部材の被処理基板側の面は、基板保持部の均熱部材を保持する面の一部が露出するような形状である」ともいえる。また、この露出部は、基板保持部の均熱部材を保持する側の面における、均熱部材が保持されない領域ともいえる。

本発明の気相成長装置では、上記均熱部材の被処理基板との対向面は、被処理基板の均熱部材との対向面よりも広くなっていることが好ましい。

上記の構成によれば、均熱部材の被処理基板との対向面は、被処理基板の均熱部材との対向面よりも広くなっている。すなわち、均熱部材は、被処理基板を覆っている。これにより、均熱部材から被処理基板に、基板加熱部からの熱を均一に供給できる。

本発明の気相成長装置では、上記基板保持部は、８００℃における熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなることが好ましい。

上記の構成によれば、基板保持部が、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなることにより、基板保持部の均熱部材保持面から、外部に基板加熱部からの熱が放出されるのを防ぐことができるという効果がある。

本発明の気相成長装置では、上記基板保持部が、石英，ジルコニア，サファイア，およびアルミナの群より選ばれる少なくとも１つからなるものであってもよく、石英からなることが特に好ましい。

石英，ジルコニア，サファイア，およびアルミナの熱伝導率は、非常に小さい。このため、これらの材料を用いれば、基板保持部の均熱部材保持面から、基板加熱部からの熱が外部に放出されるのを防ぐことができる効果を高めることができる。特に、石英のように、非常に小さな熱伝導率を有する材料を用いれば、その効果も大きくなる。しかも、石英は、洗浄性にも優れているため、基板保持部への付着物を容易に除去できる。

なお、基板保持部の均熱部材保持面から、基板加熱部からの熱が外部に放出されるのを防ぐ効果を得るためには、基板保持部の均熱部材と接触する部分の熱伝導率が、基板保持部の均熱部材と接触する部分以外の熱伝導率よりも低くなるように材料を選択すればよい。これにより、均熱部材から基板保持部へ伝わった熱量が、基板保持部の外側（外部）へ移動することによって、基板外周温度が低下する。従って、基板保持部の均熱部材との接触部分を、相対的に熱伝導率の低い材料で構成することにより、たとえ、その接触部分以外の熱伝導率が高くても、基板周辺の温度は低下し難くなる。

本発明の気相成長装置では、上記均熱部材は、被処理基板側の面に凸部を有しており、上記基板保持部は、均熱部材の凸部を保持するようになっていることが好ましい。

上記の構成によれば、基板保持部は、均熱部材の被処理基板側の面に形成された凸部を保持する。すなわち、凸部が形成された面は、凸部以外の領域では、基板保持部と接触しない。このため、凸部の以外の領域に、基板保持部と均熱部材とが接触しない露出部が形成される。これにより、均熱部材と基板保持部との接触部の面積が狭くなり、基板加熱部から均熱部材へ供給された熱量は、均熱部材と基板保持部との接触部に集中する。従って、被処理基板近傍の基板保持部の温度が上昇し易くなり、被処理基板の温度均一性が向上する。

本発明の気相成長装置では、上記均熱部材の全厚さをτ、上記露出部と対向する部分の均熱部材の厚さをＴとすると、τ＜２Ｔを満足するようになっていることが好ましい。言い換えれば、均熱部材の全厚さ（τ）から露出部と対向する部分の均熱部材の厚さ（Ｔ）の差（τ−Ｔ）が、露出部と対向する部分の均熱部材の厚さ（Ｔ）よりも小さい（τ−Ｔ＜Ｔ）ことが好ましい。ここで、「τ−Ｔ」は、前述の凸部を有する均熱部材の場合、凸部のみの厚さ（ｔ）となる。従って、この場合、ｔ＜Ｔを満足することが好ましいこととなる。このような構成により、被処理基板の温度均一性を向上することができる。

本発明の気相成長装置では、上記基板保持部は、均熱部材における基板加熱部側の面の外周部を拘束する位置拘束部を有しており、上記均熱部材は、位置拘束部と離間して基板保持部に保持されていてもよい。

上記の構成によれば、均熱部材は、基板保持部の位置拘束部と離間して設けられている。このため、気相成長の際に高温の加熱によって、均熱部材が膨張しても、均熱部材が干渉することを防止できる。

本発明にかかる気相成長方法は、前記いずれかに記載の気相成長装置を用いることを特徴としている。なお、本発明に係る気相成長方法は、薄膜形成方法（薄膜の製造方法）ともいえる。

これにより、本発明の気相成長装置と同様に、被処理基板の割れを防止するとともに、被処理基板の温度分布を均一にすることができる。それゆえ、品質の高い優れた結晶成長を実現することができる。

本発明の気相成長装置は、以上のように、被処理基板と均熱部材との間には隙間が形成されており、基板保持部は、基板保持部における均熱部材を保持する均熱部材保持面に、均熱部材のない露出部を有する構成である。それゆえ、被処理基板の温度分布を均一にするとともに、被処理基板の割れを防ぐことできるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図１４に基づいて説明する。なお、本発明は、これに限定されるものではない。

本実施形態では、本発明の気相成長装置の一例として、横型のフェースダウン型気相成長装置について説明する。図１は、本実施形態の気相成長装置の基本構成を示す、模式断面図である。図２は、図１における被処理基板１１周辺の拡大図であり、図３は被処理基板１１，均熱部材９，および基板保持部１２の分解斜視図である。

図１の気相成長装置Ａは、チャンバ（反応炉）１内で、被処理基板１１に成膜処理を施し、被処理基板１１に薄膜を形成するものである。気相成長装置Ａは、チャンバ１内に、被処理基板１１表面の温度を均一にするための均熱部材９と、被処理基板１１および均熱部材９を保持する基板保持部１２と、被処理基板１１を加熱するための基板加熱ヒータ（基板加熱部）１５と、薄膜形成のための原料ガスの流路となる筒状の流路構成部材７とを備えている。以下では、便宜上、基板加熱ヒータ１５側を上側、流路構成部材７側を下側として説明する。

チャンバ１は、チャンバ１内部を大気側と隔離し、気密状態を保持するようになっている。

流路構成部材７には、薄膜形成のための原料ガスが供給され、この内部で気相成長が行われる。つまり、流路構成部材７は、反応室２を構成する。

流路構成部材７は、原料ガスの供給方向に基づき、上流側流路構成部材５，中流側流路構成部材８，および下流側流路構成部材６から構成される。中流側流路構成部材８の一端は上流側流路構成部材５に、他端は下流側流路構成部材６に、それぞれ連通されている。上流側流路構成部材５の端部は、ガス供給口３を構成しており、下流側流路構成部材６の端部は、ガス排出口４を構成している。中流側流路構成部材８の上側（基板加熱ヒータ１５側）には、円形の開口部１０が形成されている。開口部１０の内部には、被処理基板１１および均熱部材９を載置する基板保持部１２が設置されている。

均熱部材９は、基板加熱ヒータ１５からの熱を、被処理基板１１に供給する。このため、均熱部材９の材料としては、熱伝導率の高い材料であることが好ましい。均熱部材９としては、例えば、グラファイト、ＳｉＣコートを施したグラファイト、ＳｉＣ、モリブデン、タングステン、タンタル等のメタル材料等を用いることができる。均熱部材９を熱伝導率の高い材料から構成すれば、被処理基板１１への熱伝導効率が高まり、効率的な加熱が可能となる。なお、均熱部材９の材料は、熱伝導率が高いことに加えて、例えば、原料ガス（反応ガス）への耐食性，または、高温耐性（耐熱性）等も有することが好ましい。均熱部材９の詳細は、後述する。

被処理基板１１は、成膜処理を施す基板であり、本実施形態では、被処理基板１１として、単結晶サファイアからなる２インチ基板を用いている。

基板保持部１２は、サセプタ１３に回転可能に保持されている。サセプタ１３は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。また、基板保持部１２の上部には、均熱部材９が、被処理基板１１との間に隙間を有するように設置されている。この隙間は、被処理基板１１が変形したとしても、完全に閉ざされない。つまり、被処理基板１１と均熱部材９とは接触しない。

また、図３に示すように、基板保持部１２は、その下部（底部）に、被処理基板１１を保持するために、基板開口部１８と基板保持爪１９とを有している。基板保持部１２は、成膜面（被処理面；薄膜形成面）が鉛直下向きとなるように、被処理基板１１を保持する。

基板保持部１２は、基板加熱ヒータ１５側の鍔部２１によって、サセプタ１３へ設置できるように構成されている。基板保持部１２の材料としては、熱伝導率が低く、かつ、反応ガスに対する耐食性、高温耐性を有する材料であればよい。例えば、基板保持部１２は、石英またはガラス状カーボンから構成することが好ましい。これにより、被処理基板１１の温度分布を、より一層均一にすることが可能となる。

被処理基板１１は、基板保持部１２に配設された基板保持爪１９によって保持される。均熱部材９の上面（基板加熱ヒータ１５に対向する面）の面積は、下面（被処理基板１１に対向する面）の面積よりも大きい。

さらに、本実施形態では、基板保持部１２は、均熱部材９の基板加熱ヒータ１５側の最外周部２７を拘束する為の位置拘束部２０を有している。位置拘束部２０は、均熱部材９と基板保持部１２とが使用される最高温度において熱膨張した場合でも、干渉しない寸法に（つまり、最小のクリアランスを有するように）設定されている。基板保持部１２に設けられた、均熱部材９の外周側を拘束する為の位置拘束部２０は、均熱部材９を設置する際の、基板保持部１２と均熱部材９との相対位置ずれ，基板保持部１２の回転，および搬送動作による均熱部材９の移動などを防止することが可能となる。このため、均熱部材９と基板保持部１２との位置ずれに起因する均熱部材９から基板保持部１２への熱移動の不均一を低減することができる。これにより、被処理基板１１の温度均一性が向上する。また、均熱部材９と位置拘束部２０との一部が接触することにより、均熱部材９に温度分布が生じたとしても、その接触部は、均熱部材９の基板加熱ヒータ１５側の最外周部２７であり、被処理基板１１から最も離れた位置である。このため、被処理基板１１の面内温度分布に与える影響を最小とすることができる。

基板加熱ヒータ１５は、均熱部材９の上部に、駆動軸１４を介して保持されている。駆動軸１４の一端は、ベローズ等を利用した昇降機構１６に連結され、基板加熱ヒータ１５を昇降できるようになっている。基板加熱ヒータ１５は、均熱部材９を輻射加熱し、均熱部材９を介して、被処理基板１１を所望の温度まで昇温することができるようになっている。

また、本実施形態では、図２に示すように、発熱体である基板加熱ヒータ１５として、略環状の外周発熱領域２３と、略環状の内周発熱領域２４とを有するマルチゾーン加熱ヒータを用いている。

一般的に、被処理基板１１の温度は、被処理基板１１の外周側での温度が低下（中心部の温度が上昇）する傾向がある。例えば、均一温度の円形発熱体が存在する場合に、発熱体の対向面に置かれた被加熱物体を加熱すると、発熱体からの輻射熱により被加熱物体が加熱されると、輻射エネルギーは、被加熱体の中心部が最も高くなる。一方、発熱体と被加熱物体の間に存在する気体の熱伝導によって被加熱物体が加熱されると、加熱領域外の低温部の影響を外周側が最も受け、被加熱物体の中心部の温度が高くなる。このようなことからも、被処理基板１１の温度は、被処理基板１１の外周側での温度が低下することを説明できる。

そこで、本実施形態では、被処理基板１１の面内温度分布を均一にするために、被処理基板１１の外周側へ与える熱量を増加させる方法が用いている。すなわち、基板加熱ヒータ１５としてマルチゾーン加熱ヒータを用いることによって、被処理基板１１への供給熱量を可変させている。これにより、被処理基板１１面内の温度分布を均一にすることが可能となる。

本実施形態では、図２に示すように、基板加熱ヒータ１５の外周発熱領域２３の外径φＤＨは、均熱部材９の外径φＤＰと同等、もしくは、若干小さくなっている。これは、外周発熱領域２３からの熱量を効率よく均熱部材９が受けるように、外周発熱領域２３と均熱部材９との形態係数を１に近づけるためである。

また、本実施形態では、基板加熱ヒータ１５の外周発熱領域２３の内径φｄｈは、被処理基板１１の外径と略同等となっている。また、内周発熱領域２４の外径は、外周発熱領域２３の内径φｄｈよりも、やや小さくなっている。

本実施形態では、このように基板加熱ヒータ１５の発熱領域を設定しているが、発熱領域は、上記の範囲に限定される訳ではなく、被処理基板１１のサイズ、均熱部材９のサイズおよび材質、基板保持部１２のサイズおよび材質などにより、適宜最適に設計されるものである。

気相成長装置Ａを用いて、被処理基板１１の被処理面（主表面）に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）をガス供給口３から流路構成部材７で形成された反応室２へ導入する。このとき、基板加熱ヒータ１５により均熱部材９を介して被処理基板１１が加熱され、被処理基板１１上での成膜化学反応が促進される。これにより、被処理基板１１の被処理面上に薄膜が形成される。被処理基板１１上を通過したガスは、ガス排出口４より排出される。

次に、本実施形態の気相成長装置Ａの特徴的構成について説明する。

図２に示すように、均熱部材９は、基板加熱ヒータ１５と被処理基板１１との間に配置されるように、基板保持部１２に保持される。また、基板保持部１２は、均熱部材９と被処理基板１１との間に、隙間２５が形成されるように、それぞれを保持するようになっている。

本実施形態では、図２に示すように、均熱部材９は、被処理基板１１側の面と、基板加熱ヒータ１５側の面とが、同心円の形状（円盤状）であり、均熱部材９の被処理基板１１側の面に、凸部１７を有している。このため、凸部１７の先端面（被処理基板１１との対向面）は、均熱部材９の基板加熱ヒータ１５との対向面よりも、面積が狭くなっている。そして、凸部１７の凸面の直径（φｄｐ）は、基板加熱ヒータ１５側の面の直径（φＤＰ）よりも小さく、かつ、被処理基板１１の直径よりも大きく、基板保持部１２の基板開口部１８直径よりも大きくなっている。これにより、基板保持部１２の均熱部材９を保持する均熱部材保持面４１に、均熱部材９の形成されない露出部４０が形成される。

気相成長装置Ａは、基板保持部１２が、露出部４０を有することを特徴としている。

均熱部材保持面４１に露出部４０を形成すれば、基板保持部１２と均熱部材９との接触部２２の面積が狭くなる。これにより、基板加熱ヒータ１５から均熱部材９に供給された熱が、接触部２２に集中する。このため、被処理基板１１近傍の基板保持部１２の温度が、上昇しやすくなる。従って、被処理基板１１の温度分布の均一性を高めることができる。

なお、本実施形態では、凸部１７の直径が、被処理基板１１の直径よりも大きくなっているが、凸部１７の直径は、被処理基板１１の直径よりも小さくてもよい。ただし、この場合、例えば、均熱部材９の上面の幅（直径）を、基板保持部１２の内径よりも小さくする等して、基板保持部１２の均熱部材保持面４１に露出部４０を形成する。

また、本実施形態では、均熱部材９の被処理基板１１との対向面（均熱部材９の下面）は、被処理基板１１の均熱部材９との対向面（被処理基板１１の上面）よりも広くなっている。すなわち、均熱部材９は、被処理基板１１を覆っている。これにより、均熱部材９から被処理基板１１に、基板加熱ヒータ１５からの熱を均一に供給できる。

また、図２に示すように、均熱部材９の全厚さをτ、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さをＴとすると、τ＜２Ｔを満足するようになっている。ここで、本実施形態では、均熱部材９は凸部１７を有している。このため、凸部のみの厚さをｔとすると、ｔ＝τ−Ｔとなる。従って、τ＜２Ｔは、ｔ＜Ｔと表現される。つまり、凸部１７のみの均熱部材の厚さ（ｔ）が、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さ（Ｔ）よりも、小さくなっている。このように、本実施形態では、均熱部材９の上面部（φＤＰ部分）の厚さＴ、下面部（凸部１７；φｄｐ部分）の厚さｔが、Ｔ＞ｔを満足している。これにより、後述するように、被処理基板１１の温度均一性を高めることができる。

また、気相成長装置Ａは、均熱部材９と被処理基板１１との間に隙間２５を有するように構成されていることを特徴としている。また、本実施形態では、均熱部材９の凸部１７表面と基板保持部１２が接触部２２で接している。

ここで、隙間２５を有する主な理由を以下に述べる。均熱部材９と被処理基板１１とが接する状態で設置されると、被処理基板１１に生じる温度分布に起因した変形が発生した場合、均熱部材９と被処理基板１１との接触ムラにより、被処理基板１１の一部分のみの温度が高くなるといった、局所加熱が発生する。また、被処理基板１１と均熱部材９とが接する状態で設置されるということは、均熱部材９の自重は、被処理基板１１にかかる為、被処理基板１１に余分な応力をかけることとなる。特に、ＭＯＣＶＤ装置においては、被処理基板１１を１１００℃といった高温にすることが必要である為、前述の局所加熱や、被処理基板１１にかかった余分な応力によって、被処理基板１１に割れが発生し易くなる。実際に、隙間２５を無くし、均熱部材９と被処理基板１１を接触させて加熱した場合、高確率で被処理基板１１の割れが確認された。隙間２５を有する主な理由は、このような被処理基板１１の割れを防止することである。

以下、本実施形態の気相成長装置Ａにより、被処理基板１１を加熱した際の被処理基板１１の成膜面側の温度分布の測定結果について、従来の気相成長装置を用いた場合と比較して説明する。

図４は、基板保持部１２を成膜面側から見た温度測定範囲を示す図である。被処理基板１１の温度は、パイロメータ（放射温度計）を用いて、パイロメータをガス供給口３側から、ガス排出口４側へ移動させ、２．５ｍｍピッチにて測定した。なお、測定の際には、サセプタ１３を回転、つまり、被処理基板１１を自転（１５ｒｐｍ）させながら測定を実施した。また、パイロメータは、焦点における直径がφ６ｍｍであるため、被処理基板１１外周部においては、基板保持爪１９および被処理基板１１のオリエンテーション２６の影響を受けるため、評価範囲は被処理基板１１中心から±２０ｍｍの領域とした。また、被処理基板１１の加熱条件は、基板加熱ヒータ１５の加熱領域を変化させ、被処理基板１１の温度分布が最も小さくなる条件とした。

（１）凸部１７の有無による測定結果
まず、図５は、従来の気相成長装置における被処理基板１１１周辺の断面図である。基板保持部１１２の材料として、熱伝導率の大きい窒化ホウ素を用い、均熱部材１０９は、ＳｉＣ製の凸部１１７が存在しない平形円板を用いた。図６は、このような気相成長装置を用い、被処理基板１１１を加熱したときの、温度測定結果を示すグラフである。従来の気相成長装置を用いた場合、被処理基板１１１の温度分布が最も小さくなった条件は、図６に示すような温度分布であり、±２０ｍｍ範囲における温度差は、１５．９℃であった。

図７は、本実施形態の気相成長装置Ａを用いた時の、被処理基板１１の温度測定結果を示すグラフである。基板保持部１２の材料は、前述の従来の気相成長装置と同様の熱伝導率の大きい窒化ホウ素を用い、均熱部材９には、図２および図３で示した凸部１７を有するＳｉＣ製均熱部材９を用いている。被処理基板１１の温度分布は、全面に渡って均一となり、±２０ｍｍ範囲における温度差は、６．０℃であった。

（２）基板保持部１２を石英とした場合の測定結果
図８は、図５に示す従来の気相成長装置を用い、基板保持部１１２の材料として、窒化ホウ素より熱伝導率の低い石英を用いた以外は（１）と同様とした場合の温度測定結果を示すグラフである。被処理基板１１１の±２０ｍｍ範囲における温度差は、５．２℃であった。

図９は、本実施形態の気相成長装置Ａを用い、基板保持部１２の材料として石英を用い、凸部１７を有するＳｉＣ製均熱部材９を用いた時の、被処理基板１１の温度測定結果を示すグラフである。気相成長装置Ａを用いた場合の被処理基板１１の±２０ｍｍ範囲における温度差は、１．８℃であった。つまり、被処理基板１１の温度分布を特に均一にできることが確認された。それに加え、この場合、基板保持部１２が石英，均熱部材９が凸部１７を有さないＳｉＣ製平板円板の場合よりも、消費電力を３２％低減できた。

また、基板保持部１２が石英，均熱部材９が凸部１７を有さないＳｉＣ製平板円板の場合、基板保持部１２が窒化ホウ素，均熱部材９が凸部１７を有さないＳｉＣ製平板円板の場合よりも、消費電力を１２％低減できた。基板保持部１２が石英，均熱部材９が凸部１７を有するＳｉＣ製平板円板の場合、基板保持部１２が石英，均熱部材９が凸部１７を有さないＳｉＣ製平板円板の場合よりも、消費電力を２０％低減できた。

以上の結果から、基板加熱ヒータ１５から供給される熱量は、均熱部材９を介して、被処理基板１１および基板保持部１２に供給される。さらに、凸部１７を有する均熱部材９を用い、かつ、基板保持部１２に露出部４１を形成する（言い換えれば、凸部９以外で基板保持部１２へ接触することを無くしている）ことにより、均熱部材９と基板保持部１２との接触部２２の面積が従来と比べて小さくなる。さらに、基板加熱ヒータ１５から均熱部材９へ供給された熱量は、均熱部材９と基板保持部１２との接触部２２に集中する。これにより、被処理基板１１近傍の基板保持部１２の温度が上昇し易くなり、その結果、被処理基板１１の温度均一性が向上することが確認された。

また、基板保持部１２の材料を、熱伝導率の低い石英にすることによって、均熱部材９から基板保持部１２へ伝導した熱量が、均熱部材９と基板保持部１２との接触部２２から外側へ広がり難くなる。このため、被処理基板１１近傍の基板保持部１２の温度が低下し難くなる一方、被処理基板１１外周部の温度が上昇しやすくなり、被処理基板１１の温度均一性が向上することが示された。

（３）位置拘束部２０の有無による測定結果
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、位置拘束部２０設置の有無による、均熱部材９の被処理基板１１領域の温度分布の測定結果を示すグラフである。図１２（ａ）および図１２（ｂ）の等高線間隔は、５℃である。

図１２（ａ）に示すように、位置拘束部２０を設置していない場合は、均熱部材１０９の温度分布には大きな偏りが存在することが分かる。

これに対し、図１２（ｃ）に示すように、位置拘束部２０を設置した場合は、均熱部材９の温度分布は、均等となっており、位置拘束部２０の効果により、均一な温度分布が得られたることが確認された。

（４）均熱部材９の厚さによる測定結果
図１３は、均熱部材９の全厚さ（τ）が、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さ（Ｔ）の２倍よりも大きい（τ＞２Ｔ）場合、すなわち、均熱部材９の被処理基板１１側に配設された凸部１７のみの厚さ（ｔ）を、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さ（Ｔ）よりも厚くした場合（Ｔ＜ｔ）の、温度測定結果を示す。図９（上記（３））の測定結果を示した場合の凸部の厚さをｔ１、図１３の測定結果を示した場合の凸部１７の厚さをｔ２とすると、ｔ２＝２×ｔ１の関係である。

基板保持部１２の材料は、図９と同様、熱伝導率の低い石英を用いた。図１３のグラフより、被処理基板１１の±２０ｍｍ範囲における温度差は、３．４℃であり、図９と比べて、被処理基板１１外周側の温度低下が見られた。これは、均熱部材９の被処理基板１１側に配設された凸部１７の厚さ（ｔ）が、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さ（Ｔ）よりも厚くなったことにより、均熱部材９の凸部１７における半径方向の熱抵抗値が減少し、半径方向への熱移動が増加したことによって、被処理基板１１近傍の基板保持部１２の温度が低下したことに起因すると考えられる。

よって、均熱部材９の被処理基板１１側に配設された凸部１７のみの厚さ（ｔ）を、露出部４０と対向する部分の均熱部材９の厚さ（Ｔ）よりも薄くする（Ｔ＞ｔ）ことで、被処理基板１１の温度均一性を向上することができる。

図１５は、本実施形態の気相成長装置Ａにおける、基板保持部の材料の熱伝導率と被処理基板温度分布との関係を示すグラフである。より詳細には、図１５は、基板保持部１２の材料を、図７および図９に示したように、基板保持部１２として窒化ホウ素または石英を用いた場合の測定結果を記載している。

なお、図１５において、基板保持部１２の材料は、基板保持部１２の温度分布の許容値の設定によって変わるため、特に限定されるものではない。例えば、被処理基板１１の温度分布の許容範囲を、±２℃（許容幅４℃）とすると、基板保持部１２の材料の熱伝導率（８００℃）は、約２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、１７Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましい。

そして、図１５に示されるように、基板保持部１２が、窒化ホウ素（熱伝導率３０／ｍ・Ｋ）の場合に比べて、石英（熱伝導率１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）の場合の方が、飛躍的に温度分布が良好となる。このため、基板保持部１２は、石英から構成することが特に好ましい。つまり、１．４Ｗ／ｍ・ｋ以下の熱伝導率の材料から構成することが特に好ましい。これにより、さらに温度分布が向上する。

基板保持部１２の材料は、気相成長に用いる反応ガスに対する耐食性，および，気相成長反応の反応温度における耐熱性，および基板温度分布の許容範囲などを考慮して、適宜選択することができる。

例えば、基板保持部１２は、石英の他にも、ジルコニア，サファイア，およびアルミナのいずれかを単独で用いてもよいし、複数を組み合せた複合材料を用いてもよい。つまり、基板保持部１２は、石英，ジルコニア，サファイア，およびアルミナのいずれかを含んでいればよい。

複合材料には、石英，ジルコニア，サファイア，およびアルミナ以外の物質が含まれてもよい。例えば、３元系以上の材料であってもよい。３元系以上の材料としては、石英，ジルコニア，サファイア，アルミナ，窒化ケイ素，窒化ホウ素などの一部が、酸化物または窒化物などにより置換された材料を例示できる。

石英，窒化ケイ素，およびアルミナ（特に石英）は、高い耐薬品性を有するため、メンテナンス時の薬液によって、侵食されにくい。このため、耐薬品性を有する材料から基板保持部１２を構成すれば、洗浄性にも優れるため、基板保持部１２への付着物を容易に除去できる。

なお、上記の説明では、被処理基板１１の温度分布の許容範囲を、±２℃（許容幅４℃）としている。しかし、温度分布の許容範囲はこれに限定されるものではなく、被処理基板１１の温度分布が均一とみなせる範囲に設定すればよい。例えば、温度分布の許容範囲は、±１．５℃（許容幅３℃）とするのが好ましく、±１℃（許容幅２℃）とするのが好ましく、できる限り温度差のない（温度差が０に近い）ことが最も好ましい。

本実施形態では、横型のフェースダウン型気相成長装置について説明したが、それに限定されるものではなく、種々のフェースダウン型気相成長装置に適用することができる。例えば、円形横型のフェースダウン型気相成長装置（例えば、特開平９−２２６１７３号公報参照），円形縦型のフェースダウン型気相成長装置（例えば、特開平２−２２２５２６号公報参照）などに適用することができる。

また、本実施形態では、凸部１７の凸面が円状であり、被処理基板１１の上面を覆うような構成であったが、凸部１７は、例えば、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、環状（リング状）の凸部を構成としたり、環状の凸部の一部を分断した構成としたり、円周上に複数の凸部５２を配置した構成のような構成であってもよい。

また、本実施形態では、基板保持部１２は、１つの被処理基板１１を保持しているが、基板保持部１２は、複数の被処理基板１１を保持するものであってもよい。この場合、複数の被処理基板１１は、基板保持部１２に同一円周上に配置されてもよいし、同心円状に配置されてもよい。また、基板保持部１２が複数の被処理基板１１を保持する場合、基板保持部１２自体が、図示しない回転装置によって回転（公転）するとともに、各被処理基板１１も、図示しない回転装置によって回転（自転）するように構成してもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明によれば、被処理基板の割れを防止し、かつ、被処理基板の均一な面内温度分布を得ることができるため、品質の良い優れた結晶成長を実現する気相成長装置を提供することができる。それゆえ、本発明の気相成長装置は、様々な種類の材料の結晶成長に好適に用いられる。

本発明の実施の一形態にかかる気相成長装置の基本構成を示す断面図である。 図１の気相成長装置における被処理基板周辺の拡大図である。 図１の気相成長装置における被処理基板，均熱部材，および基板保持部の分解斜視図である。 図１の基板保持部を成膜面側から見た温度測定範囲を示す図である。 従来の気相成長装置における被処理基板１１１周辺の断面図である。 図５の気相成長装置を用い、被処理基板を加熱したときの、温度測定結果を示すグラフである。 図１の気相成長装置を用いた時の、被処理基板の温度測定結果を示すグラフである。 従来技術を用い、基板保持部の材料として熱伝導率の低い石英を用いた場合の温度測定結果を示すグラフである。 図１の気相成長装置を用いた時の、被処理基板の温度測定結果を示すグラフである。 従来のフェースダウン型横型ＭＯＣＶＤ装置の構造を示す縦断面図である。 特許文献１の気相成長装置の構造を示す断面図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、位置拘束部の有無による、均熱部材９の被処理基板領域の温度分布の測定結果を示すグラフである。 図１の気相成長装置において、均熱部材の被処理基板側の厚さ（ｔ）を、均熱部材の基板加熱ヒータ側の厚さ（Ｔ）よりも厚くした場合（Ｔ＜ｔ）の、温度測定結果を示すグラフである 図１の気相成長装置における、均熱部材の構成を示す斜視図である。 図１の気相成長装置を用いた時の基板保持部の熱伝導率と被処理基板の温度分布との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ チャンバ（反応炉）
２ 反応室
３ ガス供給口
４ ガス排出口
５ 上流側流路構成部材
６ 下流側流路構成部材
７ 流路構成部材
８ 中流側流路構成部材
９ 均熱部材
１０ 開口部
１１ 被処理基板
１２ 基板保持部
１３ サセプタ
１４ 駆動軸
１５ 基板加熱ヒータ（基板加熱部）
１６ 昇降機構
１７ 凸部
１８ 基板開口部
１９ 基板保持爪
２０ 位置拘束部
２１ 鍔部
２２ 接触部
２３ 外周発熱領域
２４ 内周発熱領域
２５ 隙間
２６ オリエンテーション
２７ 最外周部
４０ 露出部
５２ 凸部

Claims (8)

1. 成膜処理を施す被処理基板を加熱するための基板加熱部と、
   被処理基板と基板加熱部との間に配置され、被処理基板表面の温度を均一にするための均熱部材と、
   被処理基板の成膜面を鉛直下向きに保持するとともに、上記被処理基板と均熱部材との間には隙間が形成されるように均熱部材を保持する基板保持部とを備え、
   上記基板保持部は、基板保持部における均熱部材を保持する均熱部材保持面に、均熱部材のない露出部を有し、
   上記均熱部材の全厚さをτ、上記露出部と対向する部分の均熱部材の厚さをＴとすると、τ＜２Ｔを満足するようになっていることを特徴とする気相成長装置。
2. 上記均熱部材の被処理基板との対向面は、被処理基板の均熱部材との対向面よりも広くなっていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 上記基板保持部は、８００℃における熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
4. 上記基板保持部が、石英，ジルコニア，サファイア，およびアルミナの群より選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
5. 上記基板保持部が、石英からなることを特徴とする請求項４に記載の気相成長装置。
6. 上記均熱部材は、被処理基板側の面に凸部を有しており、
   上記基板保持部は、均熱部材の凸部を保持するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
7. 上記基板保持部は、均熱部材における基板加熱部側の面の外周部を拘束する位置拘束部を有しており、
   上記均熱部材は、位置拘束部と離間して基板保持部に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の気相成長装置を用いることを特徴とする気相成長方法。

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