JP6789100B2 - サセプタ、気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

サセプタ、気相成長装置及び気相成長方法 Download PDF

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Description

本発明は、サセプタ、気相成長装置及び気相成長方法に関する。
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倍大きく、熱伝導率が3倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素はこれらの特性を有することから、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。このため、近年、上記のような半導体デバイスにSiCエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。
SiCエピタキシャルウェハは、SiC基板上にSiC半導体デバイスの活性領域となるSiCエピタキシャル膜を成長させることによって製造される。SiC基板は、昇華法等で作製したSiCのバルク単結晶から加工して得られ、SiCエピタキシャル膜は、化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)によって形成される。
このように基板上にエピタキシャル膜を形成することは、SiCに限られず、様々な半導体デバイスの作製過程で行われている。このようなCVD装置の一例として、回転軸を中心に回転するサセプタを有する装置がある。サセプタ上に載置された基板が回転することで、面内方向のガス供給状態を均一化し、均一なエピタキシャル膜が得られる。
このような装置では、サセプタ上に載置された基板が遠心力で飛散することを防止するために、基板を側面から支持する外周支持部を設けることが一般的である。そして、基板は外周支持部で囲まれる凹部に嵌合される。この際、外周支持部に嵌合される基板の中心とサセプタの回転軸とを一致させることが一般的である。
例えば、特許文献1には、サセプタの回転軸と基板の中心との位置ずれを計測し、ずれを抑制することが記載されている。
また特許文献2には、サセプタの回転軸と基板の中心との位置ずれが生じた場合でも、サセプタの回転軸を中心に回転する程度のずれであれば、スリップの発生を防止でき、基板に機械的ストレスが加わることを抑制できることが記載されている。
また特許文献3には、サセプタの回転軸と基板の中心との位置ずれが発生した場合でも、ストッパーにより基板の飛散または摺動を抑制できることが記載されている。
特開2016−1732号公報 特開平5−275355号公報 特開平10−60674号公報
しかしながら、基板を外周支持部で囲まれる凹部に嵌合し、取り出すためにはある程度の隙間が必要である。すなわち、外周支持部で囲まれる凹部の内径と基板の外径とは一致せず、凹部の内径の方が大きい。そのため、基板の中心とサセプタの回転軸とを完全に一致させることは難しい。つまり特許文献1に記載のように、位置ずれを測定しても位置ずれ自体を完全になくすことは難しい。
基板の中心とサセプタの回転軸とがずれると、基板は外周支持部内で摺動しながら回転する。基板が外周支持部内で摺動すると、ガスの供給状態が基板の面内方向で不均一になり、成膜ばらつきが生じる。また同じ条件で成膜しても、摺動の状態、基板が固定される位置の違い等により成膜バッチごとに成膜条件がばらつき、成膜バッチごとの再現性が得られない。
また特許文献2に記載のようにある程度の位置ずれを容認しても、回転が早い場合等は、基板に加わる力が大きくなり、外周支持部内で基板が摺動してしまう。また特許文献2は、機械的ストレスを抑制するために許容できる位置ずれの範囲であり、ガスの流れ、熱的特性の変化等を考慮した結果ではない。
さらに、特許文献3に記載のようにストッパーを設けた場合でも、基板を取外すための隙間は必要であり、基板は摺動する。また基板を載置後にストッパーを設置し、基板の遊びを完全になくすことも考えられるが、作業性が非常に悪い。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、回転により基板が摺動し、成膜途中で基板位置がずれること及び成膜バッチごとの成膜条件のばらつきを簡便に抑制できるサセプタを提供することを目的とする。
本発明者らは、外周支持部の中心をサセプタの回転中心からあえて所定の方向に偏らせた。その結果、基板は遠心力により一定の方向の力を受け、特定の位置で固定された。つまり、基板が外周支持部内で摺動しながら回転することを抑制できることを見出した。また成膜バッチごとで、同一の位置で基板を固定できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手順を提供する。
(1)第1の態様にかかるサセプタは、基板を載置し、回転する気相成長用のサセプタであって、前記基板を載置する基板載置部と、前記基板を外周側から支持し、前記基板の径よりも大きい内接円を有する外周支持部と、を有し、前記外周支持部の中心はサセプタが回転する回転軸中心と異なり、前記回転軸中心より外周側に偏った位置にある。
(2)上記態様にかかるサセプタは、前記回転軸中心と前記外周部の中心との距離が、載置される前記基板の半径の5分の1以上2分の1未満であってもよい。
(3)上記態様にかかるサセプタは、前記基板載置部の平面視形状が、前記基板載置部に載置される基板の相似形であってもよい。
(4)上記態様にかかるサセプタは、前記基板載置部が平面視で直線状のOF部を有してもよい。
(5)上記態様にかかるサセプタにおける前記OF部は、前記回転軸中心により前記外周支持部の中心側にあり、前記OF部は、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線と交差する位置に配設されていてもよい。
(6)上記態様にかかるサセプタにおいて、前記OF部の中点と前記回転軸中心とを結ぶ直線は、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線に対して回転方向と逆方向に向かって傾斜していてもよい。
(7)上記態様にかかるサセプタにおいて前記OF部が、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線と直交する構成でもよい。
(8)上記態様にかかるサセプタにおいて前記基板載置部は、基板の下面側から基板を支持する平面視円環状の基板支持部を有し、前記基板支持部は載置された基板の下方となる部分の少なくとも一部に凹部を形成してもよい。
(9)上記態様にかかるサセプタにおいて前記外周支持部が、前記内接円に沿って点在する複数の部材からなってもよい。
(10)第2の態様にかかる気相成長装置は、上記態様にかかるサセプタを有する。
(11)第3の態様にかかる気相成長方法は、サセプタに載置された基板上に反応ガスを導入し、前記サセプタの回転に伴い前記基板を回転させながら成膜を行う気相成長方法であって、前記基板を載置する際に、前記基板の中心を前記サセプタの回転軸中心より外周側に偏った位置に配設する。
上記態様にかかるサセプタによれば、回転により基板が摺動し、成膜途中で基板位置がずれることを簡便に抑制できる。
本実施形態に係る気相成長装置の断面模式図である。 本実施形態にかかるサセプタを平面視した図である。 回転軸中心と外周支持部の中心とが一致するサセプタ内に載置された基板の動きを示す。 本実施形態にかかるサセプタ内に載置された基板の動きを示す。 基板載置部のOF部が、回転軸中心と外周支持部の中心とを結ぶ直線と交差する場合のサセプタの平面模式図である。 本実施形態にかかるサセプタの別の例の断面模式図である。
以下、本実施形態について、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。
<サセプタ、気相成長装置>
図1は本実施形態にかかる気相成長装置の断面模式図である。図1に示すように、反応空間を形成するチャンバー10と、チャンバー10内に設けられたサセプタ20と、サセプタ20を支持し回転させる回転体30とを有する。
チャンバー10は、ガス供給部11とガス排出部12とを有する。ガス供給部11から供給されたガスは、サセプタ20上に載置された基板W上に供給され、過剰なガスはガス排出部12から排出される。
回転体30は、内部にヒーター31を有し、回転軸Rcを中心に回転する。回転体30上に載置されたサセプタ20は回転体30と共に回転する。
図2は、本実施形態にかかるサセプタ20の平面模式図である。図2では、理解を容易にするために、サセプタ20上に載置された基板Wも同時に図示している。図2に示すように、サセプタ20は、基板載置部21と外周支持部22とを有する。外周支持部22は、基板Wを外周側から支持する。外周支持部22は、基板Wの径よりも大きい内接円を有する。外周支持部22によって囲まれる基板載置部21には、基板Wが載置される。
図2において、基板載置部21は基板Wの相似形である。基板Wと外周支持部22の隙間は、基板Wの取外しを行える範囲内で少ないことが好ましい。隙間を少なくすることで、原料ガスの流れの乱れが抑制され、均質なエピタキシャル膜を作製できる。基板載置部21の形状と基板Wの形状とが相似形であれば、隙間を極力少なくできる。
また図2に示す基板載置部21は、平面視で直線状のオリエンテーションフラット(以下、「OF」という)部21aと、円弧状の円弧部21bとを有する。基板Wは、結晶方位を区別するためにOFが設けられていることが多い。基板載置部21がOF部21aを有することで、基板Wと外周支持部22との間の隙間を少なくできる。またOF部21aを有することで、基板Wが外周支持部22内で回転しにくくなる。
外周支持部22の中心Ctは、サセプタ20が回転する回転軸中心Cs(図1の回転軸Rcに対応)と異なる。外周支持部22の中心Ctは、回転軸中心Csより外周側に偏った位置にある。外周支持部22の中心Ctと回転軸中心Csとが異なることでサセプタ20が回転した際に、外周支持部22内に載置された基板Wの位置が所定の位置に固定される。
ここで、外周支持部22の中心Ctとは、外周支持部22が内包する仮想円の中心を意味する。例えば、図2に示すように外周支持部22がOF部21aを有する場合は、円弧部21bに沿って描かれる仮想円の中心を意味する。一方、OF部21aを有さない場合は、外周支持部22に内接する内接円が仮想円となる。
図3は、回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとが一致するサセプタ20内に載置された基板Wの動きを示す。図3(a)に示すように、サセプタ20が回転し始めた直後は、回転軸中心Cs、外周支持部22の中心Ct及び基板Wの中心Cwの位置は、ほぼ一致する。
基板を回転中心に置いた場合、基板と外周支持部との間には全周にわたり隙間が存在するため、基板の位置は不安定である。そのため図3(b)に示すように、基板Wは一方向にずれ易く、いったんずれると、遠心力fにより外周支持部に接触する位置まで移動する。プロセス開始直後からエピタキシャル成長を開始する前において、サセプタは一定の回転速度になるまで、徐々に回転速度を上げていく。その回転速度を上げてゆく段階(角加速度を有する段階)に、基板Wには遠心力とともに、基板Wを相対的に回転させようとする慣性モーメント(トルク×角加速度)が加わる。その結果、基板Wは外周支持部22内で摺動しながら、遊星回転する。遊星回転する回転方向rは、回転速度が上がってゆく時にはサセプタの回転方向Rと逆である。
エピタキシャル成長において、基板を回転させようとする慣性モーメントについては、回転速度が上がってゆく場合に重要である。エピタキシャル成長は、回転速度が上がり、一定になってから行われる。そのため、回転速度が上がって行くときに決まるウェハの位置でエピタキシャル成長が行われる。一方、回転速度を下げるのは、一般的にはエピタキシャル成長が終了した後である。そのため、ウェハ位置変動が、エピタキシャル膜へ与える影響は少ない。
図4は、本実施形態にかかるサセプタ20内に載置された基板Wの動きを示す。基板の回転速度を徐々に上げてゆく場合、回転の角加速度は小さいため、基板を回転させる方向に加わる慣性モーメントは小さい。そのため、基板は図4(a)の位置で落ち着き、安定する。
図4(a)に示すように、基板WのOFと基板載置部21のOF部21aとが面で接触すると、基板Wの熱的安定性を高めることができる。例えば、SiC等をエピタキシャル成長させる場合、基板Wは1600℃程度の非常に高温にさらされる。そのため、わずかな熱的状態の違いも成膜品質に影響を及ぼす。
基板Wと基板載置部21とが点で接触すると、点接触した部分のみが高温になり、その他の部分との間で熱的状態の差が大きく異なる。接触点は高温になり、結晶欠陥等が発生しやすくなる。つまり、基板Wの面内で成膜品質がばらつく。また場合によっては、熱応力が大きくかかり、基板Wの割れ等の原因になる。
これに対し面で接触すると、面全体で熱が緩和され、温度差が緩和される。その結果、基板Wの面内で成膜品質のばらつきが抑制される。また面接触すると、遊星回転しにくいため、接触する部分が変動しない。そのため、例え接触部の近傍で結晶欠陥が発生しても、その影響は局所的なものとなる。
回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとの距離d(図2参照)は、載置される基板Wの半径の5分の1以上2分の1未満であることが好ましい。回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとの距離dが当該範囲内であることで、基板Wの外周支持部222内での遊星回転を抑制し、かつ、基板W上に成長するエピタキシャル膜の均一性が保たれる。
一方、基板の回転速度を上げてゆく速度が大きいと(角加速度が大きいと)、基板には基板を回転させようとする慣性モーメントが加わる。そのため基板が図4(b)の様な位置になって安定する可能性がある。このような場合に対応する方法に関し、外周支持部22の中心Ctと回転軸中心Csとの位置関係についてより具体的に説明する。
図5に示すように、OF部21aは、回転軸中心Csにより外周支持部22の中心Ct側にあり、OF部21aが回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとを結ぶ直線と交差することが好ましい。図5は、基板載置部21のOF部21aが、回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとを結ぶ直線と交差する場合のサセプタ20の平面模式図である。
基板載置部21のOF部21aと、回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとを結ぶ直線と、が交差する場合は、以下の3つのパターンに分けられる。
第1の構成は、図5(a)に示すように、OF部21aの中点Mと回転軸中心Csとを結ぶ直線(以下、垂線pと言う)が、回転軸中心Csと外周支持部22の中心Ctとを結ぶ直線(以下、遠心力線cfと言う)に対してサセプタ20の回転方向Rに向かって傾斜している場合である。
第2の構成は、図5(b)に示すように、垂線pが、遠心力線cfに対してサセプタ20の回転方向Rと逆の方向に向かって傾斜している場合である。
第3の構成は、図5(c)に示すように、垂線pと遠心力線cfとが一致する場合である。この場合、OF部21aと遠心力線cfとは直交する。
いずれの構成でも、OF部21aが回転軸中心Csにより外周支持部22の中心Ct側にあるため、載置された基板Wは遠心力を受けて遠心力線cfに沿ってOF21a側に近づく。基板WのOFをOF部21a側に配置すると、サセプタ20の回転と共に、基板WのOFと、OF部21aとが面を対向させて近接する。
前述の様に、基板の回転速度を徐々に上げてゆく場合(角加速度が小さい場合)には、基板を回転させようとする慣性モーメントを無視することができる。そのため、いずれの場合も、最終的には基板WのOFと外周支持部22のOF部21aが接する形で安定する。言い換えると、回転速度を徐々に上げてゆく場合は、第3の構成に対し、第1の構成及び第2の構成の方向の傾斜が小さければ、基板Wと外周支持部22が面接触する確率が高まり、外周支持部22内で基板Wが摺動することをより抑制できる。
一方で、基板の回転速度の変化による角加速度を考慮する必要がある場合は、基板の回転速度が上がって行くときに基板に加わる慣性モーメントを考慮した第2の構成が好ましい。第2の構成は、基板Wの摺動をより抑制できる。第2の構成の場合は、基板Wの回転とは逆方向、すなわち回転速度が加速する時の慣性モーメントが加わった時に基板Wが回転して安定する方向にOFが傾いている。基板Wが外周支持部22と最初に接触した点を支点に外周支持部22内で回転し始めたとしても、基板WのOFとOF部21aとが合わさるように基板Wは回転する。その結果、基板Wと外周支持部22が面接触し、外周支持部22内での基板Wの回転が抑制される。
第1の構成の場合は、基板の回転の方向、すなわち回転速度が減速する時の慣性モーメントが加わった時に基板が回転して安定する方向にOFが傾いている。基板の回転速度が減速する場合は、当該構成が好ましい。このような基板の回転速度が減速する場合は、通常エピタキシャル成長の終了後に多く、エピタキシャル膜への影響は少ないと考えられる。但し、基板の回転速度を徐々に上げて成長を行い、その後、急に減速してエピタキシャル成長を継続する等の場合においては、有用である。
第3の構成の場合は回転初期から基板Wと外周支持部22が面接触しており、外周支持部22内での基板Wの回転は抑制される。回転速度の変化が小さい場合に好ましい。
第2の構成において、垂線pと遠心力線cfとがなす角θは、0°より大きく、20°以下、さらに10°以下とすることが好ましい。θは回転数が増えてゆくときの角加速度によって選択することができるが、大きすぎるのは好ましくない。一方で、第3の構成において、垂線pと遠心力線cfとがなす角φは、0°±5°であることが好ましい。この範囲であれば、遠心力によって安定な位置に収まりやすい。
上述のように、本実施形態にかかるサセプタによれば、遠心力を利用して外周支持部22内での基板Wの位置が固定され、基板Wが外周支持部22内で摺動、回転することを抑制できる。その結果、基板W上に形成されるエピタキシャル膜の成膜条件が面内方向でばらつくことを抑制できる。
また実際の成膜時は同じ装置で複数の基板Wを順次成膜する。基板Wが外周支持部22内で遊星回転すると、その都度、成膜条件が異なり得られるエピタキシャル膜が安定しない。これに対し、外周支持部22の中心Ctと回転軸中心Csとが異なると、基板に加わる遠心力の方向が固定され、基板Wは成膜時にその位置に固定される。そのため、一連の成膜の中で成膜条件を一定化させることができ、再現性を高めることができる。
またOF部21aを設けることで、基板Wと外周支持部22とを面接触させることができ、基板Wが外周支持部22内で摺動することをより抑制できる。さらに、基板Wと外周支持部22とが、面接触することで局所的に基板が高温化することを抑制でき、結晶欠陥等の発生を抑制できる。
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。
図1〜図5では、外周支持部22を円環状の一つの部材として図示しているが、複数の部材からなってもよい。この場合、複数の部材によって描かれる仮想円の中心が、外周支持部22の中心となる。
また図1に示すサセプタ20は基板Wを面で支えているが、図6に示すように、サセプタ25の基板載置部21が基板支持部23を有し、基板Wを基板Wの下面の一部で保持する構成でもよい。基板支持部23は、平面視円環状の部材で、基板の下面側から基板を支持する。
基板支持部23は、載置された基板Wの下方となる部分の少なくとも一部に凹部23Aを形成し、基板Wと凹部23Aとで囲まれた空間Kを形成する。図1に示すように、サセプタ20上に基板Wを面で接触させると、基板Wの中央部が高温になり、外周側がサセプタ20から離れるように基板Wが反る。これに対し、図6に示すように、空間Kを設けることで、直接的な熱伝導を抑制し、基板Wの反りを抑制できる。
また基板支持部23は、平面視円環状に配設された複数の部材からなってもよい。一方で、基板Wの裏面へのガスの回り込みを避ける観点からは、基板支持部23は円環状の一つの部材からなることが好ましい。
チャンバー10、サセプタ20、回転体30を構成する各部材は、公知のものを用いることができる。
また図2〜図5では、基板WがOFを有し、対応する基板載置部21もOF部21aを有する構成について説明したが、基板WのOF及び基板載置部21のOF部21aは無くてもよい。
<気相成長方法>
本実施形態にかかる気相成長方法は、サセプタに載置された基板上に反応ガスを導入し、サセプタの回転に伴い前記基板を回転させながら成膜を行う気相成長方法である。本実施形態にかかる気相成長方法では、基板を載置する際に、基板の中心をサセプタの回転軸中心より外周側に偏った位置に配設する。
サセプタの回転軸中心と載置する基板の中心とを一致させないことで、基板は遠心力を受ける。基板は遠心力を受けて、所定の位置で固定される。基板が所定の位置で固定された状態で、エピタキシャル膜を成長させることで、基板が成膜中に摺動、回転することを抑制できる。その結果、基板上に形成されるエピタキシャル膜の成膜条件が面内方向でばらつくことを抑制できる。
また基板が所定の位置で固定化されることで、成膜条件を一定化させることができ、成膜バッチごとの均一性も高めることができる。
10…チャンバー、11…ガス供給部、12…ガス排出部、20,25…サセプタ、21…基板載置部、21a…OF部、21b…円弧部、22…外周支持部、23…基板支持部、23A…凹部、30…回転体、31…ヒーター、100…気相成長装置、W…基板、Cs…回転軸中心、Ct…外周支持部の中心、Cw…基板の中心、K…空間、f…遠心力

Claims (9)

  1. 基板を載置し、回転する気相成長用のサセプタであって、
    前記基板を載置する基板載置部と、
    前記基板を外周側から支持し、前記基板の径よりも大きい内接円を有する外周支持部と、を有し、
    前記外周支持部の中心はサセプタが回転する回転軸中心と異なり、前記回転軸中心より外周側に偏った位置にあり、
    前記基板載置部が平面視で直線状のOF部を有し、
    前記OF部は、前記回転軸中心より前記外周支持部の中心側にあり、
    前記OF部は、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線と交差する位置に配設されている、サセプタ。
  2. 前記回転軸中心と前記外周支持部の中心との距離が、載置される前記基板の半径の5分の1以上2分の1未満である、請求項1に記載のサセプタ。
  3. 前記基板載置部の平面視形状が、前記基板載置部に載置される基板の相似形である、請求項1または2に記載のサセプタ。
  4. 前記OF部の中点と前記回転軸中心とを結ぶ直線は、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線に対して回転方向と逆方向に向かって傾斜している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のサセプタ。
  5. 前記OF部が、前記回転軸中心と前記外周支持部の中心とを結ぶ直線と直交する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のサセプタ。
  6. 前記基板載置部は、基板の下面側から基板を支持する平面視円環状の基板支持部を有し、 前記基板支持部は、載置された基板の下方となる部分の少なくとも一部に凹部を形成する、請求項1〜のいずれか一項に記載のサセプタ。
  7. 前記外周支持部が、前記内接円に沿って点在する複数の部材からなる、請求項1〜のいずれか一項に記載のサセプタ。
  8. 請求項1〜のいずれか一項に記載のサセプタを有する気相成長装置。
  9. サセプタに載置された基板上に反応ガスを導入し、前記サセプタの回転に伴い前記基板を回転させながら、前記基板上にエピタキシャル膜を成膜してエピタキシャルウェハを製造するエピタキシャルウェハの製造方法であって、
    前記サセプタが請求項1〜7のいずれか一項に記載のサセプタである、エピタキシャルウェハの製造方法。
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