JP6562546B2 - ウェハ支持台、ウェハ支持体、化学気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工処理中のＳｉＣウェハを支持するウェハ支持台と、ウェハ支持台のＳｉＣウェハを載置する部分の周辺にガイド部材（ウェハホルダー）が設けられてなるウェハ支持体と、それらのいずれかを備えた化学気相成長装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に対して、バンドギャップが約３倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍、熱伝導度が約３倍という優れた物性を有しており、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を用いた半導体デバイスの製造には、通常、ＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられる。ＳｉＣエピタキシャルウェハは、昇華再結晶法等を用いて作製されたＳｉＣ単結晶基板（ＳｉＣウェハ）の面上に、ＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣ単結晶薄膜（ＳｉＣエピタキシャル層）を、エピタキシャル成長させることによって作製することができる。

ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造装置としては、チャンバ内に原料ガスを供給しながら、加熱されたＳｉＣウェハの面上にＳｉＣエピタキシャル層を堆積成長（エピタキシャル成長）させる化学気相成長（ＣＶＤ）装置が用いられる。

ＳｉＣのエピタキシャル成長は、１５００℃以上の高い温度に加熱されたＳｉＣ基板上に、原料ガスを流通させて行われる。その際、原料ガスの流路の上流側と下流側とで、エピタキシャル成長した膜の厚さやドーピング濃度が揃っていないことがある。そのため、最近の装置では、ＳｉＣウェハを載置したウェハ支持台（サセプタ）とともに、結晶成長中のＳｉＣ基板を回転させることにより、ＳｉＣウェハの被処理面に対して原料ガスが均一に作用するように工夫がなされている。

加熱されたＳｉＣウェハは、エピタキシャル成長した膜が形成された表面と裏面との熱膨張率の差によって、裏面側が凸になるように反ることが知られている。したがって、ウェハ支持台のウェハ載置面が平坦である場合、ウェハの接触部分が減少することになるため、回転している状態のウェハは、ウェハ載置面に対して摺動（位置ズレ）を起こし易くなる。

ウェハ載置面に対するウェハの摺動を抑えるために、ウェハを載置する部分に座繰り加工部（ザグリ）が設けられたウェハ支持台が、特許文献１、２などに開示されている。これらのウェハ支持台は、いずれもＳｉウェハが載置されることを想定したものであるため、その材料として黒鉛などが用いられ、表面がＳｉＣコートされている。

特許第５１５８０９３号公報 特許第４６６１９８２号公報

しかしながら、ＳｉＣコートされたウェハ支持台を用いた場合、ＳｉＣエピタキシャル成長を行う際の高い温度領域においては、コートされていたＳｉＣの被膜が昇華してウェハの裏面に付着することにより、ウェハとウェハ支持台が貼りついてしまうという問題が発生する。この問題を回避するために、ＳｉＣエピタキシャルウェハの作製に用いるウェハ支持台として、通常は、ＳｉＣが昇華する温度よりも融点の高い炭化タンタル（ＴａＣ）でコートされたものが用いられている。

ところが、ＴａＣの被膜は、外力が加わった場合に剥がれやすい性質を有している。例えば、ウェハ載置面が平坦である場合、載置されているウェハが摺動し、摺動した際の摩擦によって、ウェハ載置面におけるＴａＣ被膜が剥がれる虞がある。また、ウェハ載置面にザグリが設けられている場合、ウェハの摺動は抑えられるものの、ザグリの側壁が切り立った形状を有しているため、引張り応力によって、切り立った部分に形成されているＴａＣ被膜が剥がれやすくなる。剥がれたＴａＣ被膜は、パーティクルとなって、ＳｉＣエピタキシャル成長に悪影響を及ぼすことが問題とされている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ＳｉＣウェハに対して成膜等の加工処理を行う際に、コーティングされたＴａＣ膜が剥がれにくい構造を有するウェハ支持台を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）ＳｉＣウェハを載置するための、ＴａＣコートされたウェハ支持台であって、一方の主面のうちＳｉＣウェハを載置する部分にザグリを有し、前記ザグリの内面が、加熱処理を行った際のＳｉＣウェハの反った形状に合わせて湾曲した曲面をなしており、側面と前記ザグリの内面との間に、両面を滑らかに接続するＲ部が設けられていることを特徴とするウェハ支持台。
（２）前記ザグリの内面は、深さ方向に凸の曲面をなすように湾曲していることを特徴とする（１）に記載のウェハ支持台。
（３）前記Ｒ部は、曲率半径がＲ０．１ｍｍ以上Ｒ０．５ｍｍ以下の曲面をなしていることを特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載のウェハ支持台。
（４）（１）〜（３）のいずれか１つに記載のウェハ支持台と、前記ウェハ支持台の側面を囲むガイド部材と、を備え、前記ガイド部材は、前記側面に平行に立設し、前記一方の主面側における前記ガイド部材の端部の位置が、前記側面と前記ザグリの内面の延長部分同士が交わる位置よりも、前記ウェハ支持台の他方の主面に平行な面から遠い位置にあることを特徴とするウェハ支持体。
（５）（１）〜（３）のいずれか一つに記載のウェハ支持台を備えていることを特徴とする化学気相成長装置。
（６）（４）に記載のウェハ支持体を備えていることを特徴とする化学気相成長装置。

本発明のウェハ支持台は、一方の主面にウェハを載置するためのザグリが設けられており、ウェハ載置面におけるウェハの摺動が抑えられ、ウェハとＴａＣ被膜との間に摩擦が生じないように構成されている。
また、本発明のウェハ支持台の側面とザグリの内面との間には、両面を滑らかに接続するＲ部が設けられ、そこに形成されたＴａＣ被膜にかかる引張り応力が、軽減するように構成されている。
したがって、本発明のウェハ支持台は、ＳｉＣウェハに対して成膜等の加工処理を行う際に、コーティングされたＴａＣ膜が剥がれにくい構造となっている。これにより、剥がれたＴａＣ被膜が、パーティクルとなって、ＳｉＣエピタキシャル成長に悪影響を及ぼす問題を回避することができる。

本発明の化学気相成長装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の搭載プレートの構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明のウェハ支持台の構成を模式的に示す断面図である。（ｂ）（ａ）の断面図の一部を拡大した図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明のウェハ支持台の製造方法を段階的に説明する、被処理体の断面図である。 本発明のウェハ支持体の構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を適用した実施形態であるウェハ支持台と、ウェハ支持体と、それらのいずれかを備えた化学気相成長装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、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、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本発明において「ウェハ」との記載は、エピタキシャル成長前の単結晶基板ウェハを指す場合と、エピタキシャル膜を有するウェハを指す場合がある。また、エピタキシャル成長途中のウェハも「ウェハ」と記載する場合がある。

［化学気相成長装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る化学気相成長装置の断面の構成を模式的に説明する図である。本発明の化学気相成長装置は、図１の構成のものには限られないが、以下理解を容易にするために、図１の化学気相成長装置を基に本発明を説明する。

本発明の一実施形態に係る化学気相成長装置１００は、例えば、減圧排気が可能なチャンバ（成膜室）内に、原料ガスＧを供給しながら、加熱されたウェハ（ＳｉＣウェハ）Ｗの面上に層を堆積成長させる。例えば、ＳｉＣをエピタキシャル成長させる場合、原料ガスＧには、Ｓｉ源にシラン（ＳｉＨ_４）、ジクロロシラン（ＳｉＣｌ_２Ｈ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＣｌ_３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）等を用いることができ、炭素（Ｃ）源にプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）等を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）を含むもの等を用いることができる。

この化学気相成長装置１００は、チャンバの内部において、複数のウェハＷが載置される搭載プレート１０と、この搭載プレート１０との間で反応空間Ｋを形成するように搭載プレート１０の上面に対向して配置されたシーリング（天板）５０と、搭載プレート１０およびシーリング５０の外側に位置して反応空間Ｋの周囲を囲むように配置された周壁６０と、を備えている。シーリング５０は、チャンバ内に着脱自在に取り付けられている。具体的には、このシーリング５０は、周壁６０の内周面から突出して設けられた支持部６１の上に、その外周部が載置されることによって、鉛直上向きに支持されている。

図示を省略する高周波電源から誘導コイル７０に高周波電流が供給されると、搭載プレート１０およびシーリング５０が高周波誘導加熱により加熱される。そして、搭載プレート１０およびシーリング５０からの輻射や、搭載プレート１０上に配されたウェハ支持台２０からの熱伝導等により、ウェハ支持台２０に載置されたウェハＷを加熱することができる。なお、加熱手段は、搭載プレート１０（回転台１３）の下面側およびシーリング５０の上面側に配置された構成に限らず、これらのいずれか一方側のみに配置された構成とすることも可能である。また、加熱手段としては、高周波誘導加熱に限らず、抵抗加熱によるもの等を用いてもよい。

化学気相成長装置１００では、ガス導入管３０を通り、その開口部３１から放出された原料ガスＧを、反応空間Ｋの内側から外側に向かって放射状に流すことにより、ウェハＷの面内に対して平行に原料ガスＧを供給することが可能となっている。チャンバ内で不要になったガスは、周壁６０の外側に設けられた排気口（不図示）からチャンバの外へと排出することが可能となっている。

搭載プレート１０は、いわゆるプラネタリ（自公転）方式を用いた構造となっている。搭載プレート１０は、駆動モータ（不図示）を用いて回転軸１２を回転駆動させた際に、それに連動し、回転軸１２を軸として自転する回転台としての機能を有している。

搭載プレートの上面１０ａには、平面視円形状をなし、回転台１２の周方向（回転方向）に等間隔に複数並んで凹状収容部１１が設けられている。図２は、化学気相成長装置１００の搭載プレート１０を平面視した模式図である。凹状収容部１１が等間隔に６個並んで設けられている場合を例示している。

図２は、シーリング５０側から見た搭載プレート１０の平面図である。ウェハ支持台２０は、図２に示すように搭載プレート１０の凹状収容部１１に収容され、上面にウェハＷを載置することができる。ウェハ支持台２０は、シーリング５０と対向する側に、ウェハ載置面２１と、載置されるウェハの周囲を囲むように起立するウェハ支持部２２とを有している。図２では、簡単のため搭載プレート１０の２つの凹状収容部１１にのみウェハ支持台２０を収容した例を示しているが、当該構成には限られない。

ウェハ支持台２０は、その下面と凹状収容部１１との間に、原料ガスＧとは別の駆動用ガスが供給されることにより、中心軸周りに回転駆動される仕組みとなっている（不図示）。これにより、ウェハ支持台２０に載置されたウェハＷに対して均等に成膜を行うことができる。

［ウェハ支持台の構成］
図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、板状のウェハ支持台（サセプタ）２０の構成を模式的に示す図であり、図２のＡ−Ａ’線による断面図に相当する。ウェハ支持台２０は、板状の支持部材２３からなり、その一方の主面２３ａのうち中央のＳｉＣウェハＷを載置する部分に、ザグリ（凹部）が設けられている。図３におけるＳｉＣウェハＷは、成長時である高温の時の形状を示しており、下向きに凸の形状となっている。低温の状態では、Ｗは凸が小さい形状であるので、ウェハＷの外周部近くの裏面がウェハ支持台に接して支えられる形となる。

ザグリの内面（底面と側面とが接続された面）２３ｂは、加熱処理を行った際のＳｉＣウェハの反った形状に概ね合わせて、湾曲した曲面をなしている。具体的には、ザグリの内面２３ｂは、ザグリの深さ方向Ｄに凸の曲面をなすように湾曲している。ザグリの内面２３ｂは、完全に滑らかな曲面でなく、膜剥がれが起きない程度に緩やかな段差部分を含む曲面であってもよい。

支持部材の一方の主面２３ａの周縁部において、ザグリの内面２３ｂと支持部材の側面２３ｃとの間には、両面を滑らかに接続するＲ部２３ｄが設けられている（ここでの「滑らか」は、折れ曲がりが含まれていないことを意味している）。なお、図３（ａ）において、ザグリの内面２３ｂおよび支持部材の側面２３ｃを延長した破線は、従来構造におけるザグリの側壁の切り立った形状を示している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す一方の主面２３ａの周縁部を含む領域αを拡大した図である。図３（ｂ）に示すように、Ｒ部２３ｄは、中心点Ｏに対する曲率半径ｒが、Ｒ０．１ｍｍ以上Ｒ０．５ｍｍ以下、すなわち、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下となる曲面であることが好ましく、さらにＲ０．２ｍｍ以上Ｒ０．３ｍｍ以下、すなわち、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下となる曲面であることが好ましい。０．１ｍｍより小さいと、ＴａＣが剥がれやすく、また再現性良く加工することが難しい。０．５ｍｍより大きいと、ウェハ外周の裏面でサセプタと接しない部分が大きくなりすぎてしまい、ガスが回り込みやすくなって、裏面に欠陥が生じることがある。

ウェハ支持台２０は、表面がＴａＣでコーティングされた炭素部材（黒鉛、グラファイト等）によって構成されている。ＴａＣは、高温下での発塵や成膜用の原料ガスとの相互作用による昇華が生じにくい材料であるため、１５００℃以上の温度でＳｉＣエピタキシャル成長を行う際に用いるウェハ支持台２０のコーティング材料として、最も適している。ここでのＴａＣ膜の厚さは、１０μｍ以上８５μｍ以下であることが好ましい。

以上説明したように、本発明のウェハ支持台は、一方の主面にウェハを載置するためのザグリが設けられている。このザグリの内面は、加熱処理を行った際のＳｉＣウェハの反った形状に合わせて湾曲した曲面を有している。したがって、加熱されて反った状態でザグリ内に載置されたＳｉＣウェハは、裏面の広い範囲で、ザグリの内面、すなわち、ウェハ支持台に接触することになる。

そのため、結晶成長中等のＳｉＣウェハが激しく運動する状況下においても、ウェハ載置面におけるＳｉＣウェハの摺動、傾きが抑えられ、ＳｉＣウェハとＴａＣ被膜との間に摩擦が生じるのを防ぐことができる。したがって、ＳｉＣウェハとの摩擦に起因したＴａＣ被膜の剥離を防ぐことができる。

さらに、処理中のＳｉＣウェハは、ウェハ支持台に対して裏面の広い範囲で接触しているため、加熱機構により、ウェハ支持台を介してこのＳｉＣウェハを加熱する場合、局所的に加熱されることがなく、ＳｉＣウェハを面内にわたって均一な温度とすることができる。

また、本発明のウェハ支持台は、ザグリの内面とウェハ支持台の側面との間に、両面を滑らかに接続するＲ部が設けられている。そのため、切り立ったザグリの側壁の頂部は、丸みを帯びた形状となり、ここに形成されたＴａＣ被膜にかかる引張り応力は、頂部が尖っている場合に比べて軽減されている。したがって、ザグリの側壁の頂部における引張り応力に起因した、ＴａＣ被膜の剥離を防ぐことができる。

以上により、本発明のウェハ支持台は、ＳｉＣウェハに対して成膜等の加工処理を行う際に、コーティングされたＴａＣ膜が剥がれにくい構造となっている。これにより、剥がれたＴａＣ被膜が、パーティクルとなって、ＳｉＣエピタキシャル成長に悪影響を及ぼす問題を回避することができる。

［ウェハ支持台の製造方法］
以上説明したウェハ支持台２０の製造方法について、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、ウェハ支持台の製造方法を段階的に説明する、被処理体の断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、黒鉛等の炭素材料からなる板状の支持部材２３を準備する（工程Ａ）。続いて、切削、研磨等の加工手段を用いて、図４（ｂ）に示すように、支持部材の一方の主面２３ａ’に所定の深さのザグリを設ける。このザグリは、予め内面が、加熱処理を行った際のＳｉＣウェハの反った形状を把握しておき、これに概ね一致する形状の曲面をなすように形成する（工程Ｂ）。このとき、ザグリの側壁の頂部（支持部材の一方の主面２３ａ’の周縁部）Ｅは尖った形状となる。

次に、切削、研磨等の加工手段を用いて、図４（ｃ）に示すように、ザグリの側壁の頂部Ｅを、丸みを帯びた形状に加工する。すなわち、ザグリの内面２３ｂと支持部材の側面２３ｃとの間に、両面を滑らかに接続するＲ部２３ｄを設ける（工程Ｃ）。このＲ部２３ｄは、曲率半径がＲ０．１ｍｍ以上Ｒ０．５ｍｍ以下の曲面とすることが好ましい。

次に、ＣＶＤ法を用いて、支持部材２３の表面全体にＴａＣのコーティングを行う（工程Ｄ）。コーティングするＴａＣの膜の厚さは、１０μｍ以上８５μｍ以下とすることが好ましい。

［ウェハ支持体の構成］
図５は、本発明の一実施形態に係る、ＳｉＣウェハＷを支持するウェハ支持体２０Ａの構成を模式的に示す断面図である。ウェハ支持体２０Ａは、図３のウェハ支持台２０と、ウェハ支持台２０（支持部材）の側面２３ｃを囲むガイド部材（ウェハホルダー）２４と、を少なくとも備えている。

ガイド部材２４は、ウェハ支持台２０の側壁の突出させた部分２３ｆに支持された状態で、ウェハ支持台の側面２３ｃに平行に立設している。ガイド部材２２は、はめ込まれる形で機械的に固定されていてもよいし、接着剤を用いる等して、支持部材２１に対して固定されていてもよい。

図５には、ザグリの内面２３ｂと支持部材の側面２３ｃの延長部分同士の交わる位置βが示されている。支持部材の一方の主面２３ａ側におけるガイド部材２４の端部の位置２４ａは、支持部材の側面２３ｃとザグリの内面２３ｂの延長部分同士が交わる位置βよりも、ウェハ支持台の他方の主面２３ｅに平行な面から遠い位置にある。

ウェハＷは、ザグリの側壁の高さを上回る位置においてもガイド部材２２に囲まれているため、成膜処理中や搬送中に、ザグリ内に載置されていたウェハＷが、摺動あるいは浮上するなどしてガイド部材２２の上に乗り上げたり、外部へ飛び出すのを防ぐことができる。

ガイド部材２４は、ウェハＷが載置される側からの平面視において、ウェハ載置面の周方向に連続した一体の部材、すなわちリング状の部材で構成されていることが好ましい。この場合、Ｒ部２３ｄにおいて、ウェハＷの裏面の一部がウェハ支持台２０から浮き上がっていても、反応空間Ｋに対するウェハＷの裏面の露出は、ガイド部材２２によって遮られた状態となる。そのため、例えば、ガス導入管３０から放出され、反応空間Ｋの内側から外側に向かって放射状に流れる原料ガスＧ（図１）などが、ウェハＷの裏面側に入り込むのを防ぐことができる。

なお、ガイド部材２４の材料としては、例えば、ＳｉＣ、ＴａＣ、または、それらでコートされた炭素材料等を用いることができるが、ウェハＷに成長させる膜と同じ材料を用いることが好ましい。この場合、ガイド部材２２上に堆積した結晶が、ガイド部材２２との熱膨張率の違いに起因して剥離し、パーティクルとなる問題を回避することができる。具体的には、ＳｉＣの単結晶、多結晶、焼結体を用いることが好ましい。これらの材料は強固であるため、パーティクルの発生を抑制することができる。

本発明のウェハ支持台は、融点の高いＴａＣ膜がコーティングされており、これが剥がれにくい構造を有しているため、高温処理が必要なＳｉＣデバイスの製造工程において、広く活用することができる。

１０：搭載プレート、２０：ウェハ支持台、２０Ａ：ウェハ支持体、
２１：ウェハ載置面、２２：ウェハ支持部、２３：支持部材、
２３ａ：支持部材の一方の主面、２３ｂ：ザグリの内面、２３ｃ：支持部材の側面、
２３ｄ：Ｒ部、２３ｅ：支持部材の他方の主面、
２３ｆ：支持部材の側壁の突出した部分、２４：ガイド部材、
３０：ガス導入管、５０：シーリング、６０：周壁、７０誘導コイル、
１００：化学気相成長装置、Ｗ：ウェハ（ＳｉＣウェハ）。

Claims (6)

1. ＳｉＣウェハを載置するための、ＴａＣコートされたウェハ支持台であって、
   一方の主面のうちＳｉＣウェハを載置する部分にザグリを有し、前記ザグリの内面が、加熱処理を行った際のＳｉＣウェハの反った形状に合わせて湾曲した曲面をなしており、
   前記支持台の側面と前記ザグリの内面との間に、折れ曲がりが含まれないように両面を滑らかに接続するＲ部が設けられていることを特徴とするウェハ支持台。
2. 前記ザグリの内面は、深さ方向に凸の曲面をなすように湾曲していることを特徴とする請求項１に記載のウェハ支持台。
3. 前記Ｒ部は、曲率半径がＲ０．１ｍｍ以上Ｒ０．５ｍｍ以下の曲面をなしていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のウェハ支持台。
4. 請求項１〜３いずれか一項に記載のウェハ支持台と、
   前記ウェハ支持台の側面を囲むガイド部材と、を備え、
   前記ガイド部材は、前記側面に平行に立設し、
   前記一方の主面側における前記ガイド部材の端部の位置が、前記側面と前記ザグリの内面の延長部分同士が交わる位置よりも、前記ウェハ支持台の他方の主面に平行な面から遠い位置にあることを特徴とするウェハ支持体。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のウェハ支持台を備えていることを特徴とする化学気相成長装置。
6. 請求項４に記載のウェハ支持体を備えていることを特徴とする化学気相成長装置。

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