JP7638366B2 - 炭化ケイ素エピタキシャル成長装置および炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素エピタキシャル成長装置および炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、炭化ケイ素エピタキシャル成長装置および炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法に関する。
炭化ケイ素エピタキシャル基板は、単結晶炭化ケイ素、単結晶シリコン等を用いた半導体基板に炭化ケイ素エピタキシャル成長層が形成されたものであり、電力変換装置のスイッチング素子または整流素子に用いられている。従来、これらスイッチング素子または整流素子の性能、製造歩留まり等を向上させるため、炭化ケイ素エピタキシャル成長技術の向上が図られている。
特許文献1には、エピタキシャル成長装置のサセプタに半導体基板を載置して生じる、半導体基板のオリエンテーションフラット(以下、オリフラと呼ぶ)部とサセプタの基板載置部側壁との隙間を小さくすることで、半導体基板の裏面にエピタキシャル成長用の原料ガスが流れ込むことを抑制し、半導体基板の裏面に膜が形成されることを防止する技術が開示されている。
特開2018-082100(図3)
しかしながら、特許文献1に示されたサセプタでは、半導体基板のオリフラ部とサセプタの基板載置部側壁との隙間が十分に小さくなく、半導体基板の裏面にエピタキシャル成長用の原料ガスが流れ込んで半導体基板の裏面に膜が形成される場合があった。また、半導体基板の裏面に形成された膜によって平坦性が低下し、製造歩留まりを低下させる場合があった。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、半導体基板の表面に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる際、半導体基板の裏面に膜が形成されることを防止できる炭化ケイ素エピタキシャル成長装置、および製造歩留まりを向上させることができる炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法を提供することを目的とする。
本開示の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置は、円形外周部を有する半導体基板を載置する基板載置部材と、基板載置部材に搭載されるプラグとを備える炭化ケイ素エピタキシャル成長装置であって、基板載置部材は、半導体基板の裏面の外縁領域を支持する第1の基板支持面を有した載置部材基板支持部と、半導体基板の裏面の外縁領域の内側の領域である基板内側領域と離隔して対向する載置部材基板対向面を有した載置部材基板対向部とを有し、プラグは、第1の基板支持面と同じ高さの面であり、半導体基板の外縁領域のうち第1の基板支持面で支持されない領域を支持し、その両端で第1の基板支持面と連続してつながる第2の基板支持面を有するプラグ基板支持部を有し、プラグの第2の基板支持面は、半導体基板の円形でない特定形状の外周部分である基板特定外周部の内側の外縁領域を支持する
また、本開示の炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法は、第2の基板支持面を有するプラグを、第2の基板支持面の高さと同じ高さであり、第2の基板支持面の両端で第2の基板支持面と連続してつながる第1の基板支持面を有する基板載置部材の上に着脱可能に搭載するプラグ搭載工程と、円形外周部を有する半導体基板の裏面の外縁領域を第1の基板支持面と第2の基板支持面とで支持し、半導体基板の裏面の外縁領域の内側の領域である基板内側領域を基板載置部材の内側の載置部材基板対向部と離隔するように、半導体基板を基板載置部材とプラグとに載置する基板載置工程と、半導体基板の表面に炭化ケイ素をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程とを備え、基板載置工程において、半導体基板の円形でない特定形状の外周部分である基板特定外周部の内側の外縁領域が、プラグの第2の基板支持面に支持される
本開示によれば、半導体基板の表面に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる際、半導体基板の裏面に膜が形成されることを防止でき、製造歩留まりを向上させることができる炭化ケイ素エピタキシャル成長装置および炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法を得ることができる。
実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとを示す平面模式図である。 実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材を示す平面模式図である。 実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す平面模式図である。 実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態1における半導体基板の外周および裏面の説明図である。 実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態1における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態2における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとを示す平面模式図である。 実施の形態2における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材を示す平面模式図である。 実施の形態2における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態2における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材に搭載するプラグを示す平面模式図である。 実施の形態3における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとを示す平面模式図である。 実施の形態3における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材を示す平面模式図である。 実施の形態3における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとに半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示す平面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。 実施の形態4における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材とプラグとカバーリングとを示し、半導体基板が載置された状態を示す断面模式図である。
以下に、本開示の実施の形態に係る炭化ケイ素エピタキシャル成長装置、および炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法について、図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、主として炭化ケイ素エピタキシャル成長装置に備えられる基板載置部材に関して説明し、エピタキシャル成長用原料ガス供給部、成膜室等の図示を省略している。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材10とプラグ20とを示す平面模式図である。図2は、プラグ20が搭載されていない基板載置部材10を示す平面模式図である。図3は、図1の基板載置部材10とプラグ20とに半導体基板50が載置された状態を示す平面模式図である。図4は、図3の破線A1-A2における断面を示す模式図である。
図1から図4に示すように、半導体基板50が載置される部材である基板載置部材10は、載置部材外周部11、載置部材基板支持部12、載置部材基板対向部13および載置部材プラグ設置部14を有する。載置部材プラグ設置部14に着脱可能に搭載されるプラグ20は、プラグ外周部21、プラグ基板支持部22およびプラグ底部23を有する。
載置部材外周部11は、基板載置部材10の外周部分に位置し、半導体基板50の端面に対向する載置部材外周部内壁11aと、載置部材外周部11の上段である載置部材外周部上段11bとを有する。ここで、載置部材外周部11は、後述する載置部材基板支持部12の外周側に設けられる。
載置部材基板支持部12は、載置部材外周部11よりも内側に設けられ、後述する半導体基板50の裏面の基板外縁領域51における第1の領域51aを支持する第1の基板支持面12aを有する。
載置部材基板対向部13は、載置部材基板支持部12よりも内側に設けられ、後述する半導体基板50の裏面の基板内側領域52と離隔して対向する載置部材基板対向面13aを有する。載置部材基板対向面13aは、平坦面であっても曲面であってもよい。
載置部材プラグ設置部14は、図2に示すように、載置部材基板対向面13aと同一平面上の、載置部材基板支持部12が円周方向で分断された領域に設けられ、プラグ20を搭載する部分である。図2では、載置部材外周部11の一部も円周方向で分断されているが、載置部材外周部11は円周方向で分断されていなくてもよい。
プラグ外周部21は、プラグ20の外周部分に位置し、半導体基板50の端面に対向するプラグ外周部内壁21a、プラグ20の上段であるプラグ外周部上段21bおよびプラグ外周部内壁21aの背面側の面であるプラグ外周部外壁21cを有する。
プラグ基板支持部22は、プラグ外周部21の内側の部分であり、後述する半導体基板50の裏面の基板外縁領域51における第2の領域51bを支持する第2の基板支持面22aを有する。載置部材基板対向面13aから第2の基板支持面22aまでの高さは、載置部材基板対向面13aから第1の基板支持面12aまでの高さと同じである。そして、第2の基板支持面22aは、基板外縁領域51のうち第1の基板支持面12aで支持されない領域を支持する。また、図1に示すように、第2の基板支持面22aは、その両端で第1の基板支持面12aと連続してつながっている。
ここで、連続してつながるとは、第1の基板支持面12aと第2の基板支持面22aとの間に完全に間隙を生じないことのみを示すのではなく、わずかな間隙を生じることをも示す。この間隙は、プラグ20を基板載置部材10に着脱可能に搭載でき、この間隙から半導体基板50の裏面側にエピタキシャル成長用原料ガスが流れ込み難く、半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できる程度の大きさであればよい。この間隙は0.1mm以上3mm以下であればよく、好ましくは0.1mm以上2mm以下、更に好ましくは0.1mm以上1mm以下である。
プラグ底部23は、載置部材プラグ設置部14に面するプラグ20の底部である。図4には、載置部材プラグ設置部14とプラグ底部23とが互いに接している例を示しているが、互いに接していなくてもよく、凹凸等の位置決め構造を設けて固定してもよい。プラグ20を固定すると、半導体基板50の載置または回収において、プラグ20の位置ずれが抑制され、プラグ20と基板載置部材10との摩擦によって生じる材料、被膜に由来するパーティクルの発生を抑制することができる。また、プラグ20の位置ずれが抑制されることで、基板載置部材10、プラグ20および半導体基板50の間の隙間を小さくでき、半導体基板50の裏面へエピタキシャル成長用原料ガスが流れ込むことを抑制できる。
このような基板載置部材10およびプラグ20を用いると、図1に示すように、プラグ20の両端は載置部材外周部11と載置部材基板支持部12とに接して囲まれ、プラグ20の後部であるプラグ外周部外壁21cは載置部材外周部11の分断されて窪んだ部分に接して沿うため、基板載置部材10とプラグ20との間に生じる間隙を小さくできる。そして、図3、図4に示すように、連続してつながる、第1の基板支持面12aと第2の基板支持面22aとで半導体基板50の裏面を支持することで、載置部材基板対向面13aと半導体基板50の裏面との間の空間を、基板載置部材10の外側に配置される図示しないエピタキシャル成長用原料ガス供給部から隔離して、エピタキシャル成長用原料ガスが半導体基板50の裏面へ流れ込むことを防止できる。
ここで、隔離とは、図4に示すように、第1の基板支持面12aと第2の基板支持面22aとで半導体基板50の裏面を支持することにより、半導体基板50の裏面、載置部材基板対向部13、載置部材外周部11およびプラグ20で囲まれた、閉じた空間を形成することを示す。このようにすると、プラグ20を用いない場合に比べて、エピタキシャル成長用原料ガスが半導体基板50の裏面へ流れ込む量を減少させることができる。
また、プラグ20は着脱可能であるため、図3に示したような半導体基板50が載置された状態において半導体基板50を回収する際、プラグ20に半導体基板50が載置されたままプラグ20を持ち上げて、半導体基板50の裏面および外周部を保持することができるようになり、作業性を良好に保つことができる。そのため、ピンセット等の治工具、基板載置部材10、半導体基板50の間の摩擦によるパーティクルの発生、またはエピタキシャル成長装置内のパーティクルの滞留を抑制でき、エピタキシャル成長層に生じるダウンフォール、三角欠陥等の欠陥を抑制することができる。
図5は、半導体基板50の外周および裏面の説明図である。半導体基板50の裏面の基板外縁領域51は、第1の領域51aと第2の領域51bとで構成される。第1の領域51aは、基板載置部材10の第1の基板支持面12aで直接支持する領域である。第2の領域51bは、プラグ20の第2の基板支持面22aで直接支持する領域である。また、半導体基板50の裏面の基板内側領域52は、半導体基板50の裏面のうち、基板外縁領域51の内側の領域であって、基板載置部材10の載置部材基板対向面13aと対向する。
基板外周53は、半導体基板50の全外周を示し、基板円形外周部53aと基板特定外周部53bとで構成される。基板円形外周部53aは、半導体基板50の円形外周部分である。基板特定外周部53bは、半導体基板50のオリフラ部またはノッチ部といった円形でない特定形状の外周部分である。ここで、半導体基板50は基板特定外周部53bを含まない円形状であってもよい。
図5には、基板特定外周部53bの内側を第2の領域51bとした例を示しているが、基板円形外周部53aの内側を第2の領域51bとすることもでき、この場合には、基板特定外周部53bの内側の一部または全部を第1の領域51aとする。このようにすると、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側は第1の基板支持面12aまたは第2の基板支持面22aのどちらでも支持することができ、半導体基板50を基板載置部材10に載置する際の作業性が向上する。そのため、ピンセット等の治工具、基板載置部材10、半導体基板50の間の摩擦によるパーティクルの発生、またはエピタキシャル成長装置内のパーティクルの滞留を抑制でき、エピタキシャル成長層に生じるダウンフォール、三角欠陥等の欠陥を抑制することができる。
このように、基板外縁領域51を基板載置部材10およびプラグ20で支持すると、基板円形外周部53aの内側は支持するが基板特定外周部53bの内側は支持しない、といった基板外縁領域51の一部を支持しない場合に比べて、基板載置部材10から半導体基板50への熱伝導が均一化され、半導体基板50が均一に加熱される。そして、エピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等の均一性を向上させることができる。
また、エピタキシャル成長装置内には誘導加熱、抵抗加熱等の方式の図示しない加熱装置が配置されているが、半導体基板50の加熱方法は、基板載置部材10と半導体基板50との接触面積を減らして熱の伝導を抑制するとともに、輻射または対流を主に利用することが好ましい。そこで、基板載置部材10に半導体基板50と接触しない載置部材基板対向部13を設け、半導体基板50の基板外縁領域51を基板載置部材10およびプラグ20で支持して、熱伝導を抑制しながら輻射または対流を主に利用して半導体基板50を加熱することができる。
ここで、載置部材基板対向面13aと半導体基板50の裏面との間の距離は、半導体基板50の直径、エピタキシャル成長用原料ガスの流量、エピタキシャル成長装置の断熱材構造、エピタキシャル成長条件等によって最適値が異なるが、0.5mm以上2mm以下程度とすることが好ましい。この範囲で調節することにより、半導体基板50の加熱における熱輻射および熱反射の制御が容易となり、エピタキシャル成長の際に半導体基板50が均一に加熱され、基板外縁領域51と基板内側領域52とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。
次に、本実施の形態における実施例について説明する。半導体基板50の基板特定外周部53bとしてオリフラを有し、直径が150mm、基板の中心からオリフラ部へ向かう垂線の長さが71.1mmである炭化ケイ素単結晶基板を用いる場合には、炭化ケイ素単結晶基板を第1の基板支持面12aに載置して生じる炭化ケイ素単結晶基板の基板円形外周部53aと載置部材外周部内壁11aとの間のクリアランスを0.6mm、円状の載置部材基板対向部13の内径を70.5mmとし、次の式1から第1の基板支持面12aの幅Wを5.1mmと決定した。
W=(150+1.2)/2-70.5 (mm) ・・・(式1)
ここでは、炭化ケイ素単結晶基板の直径の公差、基板載置部材10の加工精度、炭化ケイ素単結晶基板の載置または回収における作業性、炭化ケイ素単結晶基板への熱伝導等を考慮している。炭化ケイ素単結晶基板の端部と載置部材外周部内壁11aとの間のクリアランスを0.6mmとしたが、エピタキシャル成長の際に炭化ケイ素単結晶基板の端部と載置部材外周部内壁11aとが衝突しない程度であればよく、室温において炭化ケイ素単結晶基板の半径の1/150倍以上1/100倍以下程度であればよい。また、第1の基板支持面12aの幅は、5.1mmとしたが、エピタキシャル成長の際に炭化ケイ素単結晶基板が反っても第1の基板支持面12aが炭化ケイ素単結晶基板を支持できる程度であればよく、エピタキシャル成長の際に炭化ケイ素単結晶基板の基板外縁領域51の接触面積を小さくして基板外周53付近の高温化を緩和するために、第1の基板支持面12aの幅を小さくすることが好ましい。基板外周53付近の高温化が緩和されると、基板外周53付近とそれよりも内側の領域とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。
このようにして、プラグ20は、基板載置部材10とともに半導体基板50の裏面の基板外縁領域51を支持し、半導体基板50の基板内側領域52と載置部材基板対向部13との間の空間を、基板載置部材10の外側に配置される図示しないエピタキシャル成長用原料ガス供給部から隔離し、エピタキシャル成長用原料ガスが半導体基板50の裏面へ流れ込むことを防止できる。そして、半導体基板50の表面に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる際、半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止でき、製造歩留まりを向上させることができる炭化ケイ素エピタキシャル成長装置を得ることができる。
また、半導体基板50の加熱における基板円形外周部53aの内側と基板特定外周部53bの内側との温度の差が小さくなり、半導体基板50の加熱の面内均一性を向上させることができる。そして、エピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等の均一性を向上させることができる。さらに、着脱可能なプラグ20により、半導体基板50の載置または回収の作業性を良好に保つことができ、ピンセット等の治工具、基板載置部材10、半導体基板50の間の摩擦によるパーティクルの発生、またはエピタキシャル成長装置内のパーティクルの滞留を抑制でき、エピタキシャル成長層に生じるダウンフォール、三角欠陥等の欠陥を抑制することができる。
なお、基板載置部材10とプラグ20との材料には、ガス透過率が8×10-6/s以下で、エピタキシャル成長用原料ガス、キャリアガス等との反応性が低いものを用いることが好ましく、グラファイトに炭化ケイ素、炭化タンタル等がコーティングされたものを用いることができる。特に、載置部材基板対向面13a、載置部材外周部内壁11a、プラグ外周部内壁21aおよび第2の基板支持面22aは、1700℃以上の融点を有し、炭化タンタルのように炭化ケイ素とは異なる材料で構成されることが好ましい。これは、エピタキシャル成長用原料ガス等によって基板載置部材10またはプラグ20がエッチングされることを抑制し、基板載置部材10またはプラグ20と半導体基板50との間の間隙が拡大することを抑制するためである。他には、ニオブ、タングステン、ハフニウム、ジルコニウム等の金属、これら金属の炭化物、熱分解炭素等の材料を用いることができるが、加熱による反り、ガス透過等を考慮して選択すればよい。
また、室温における第1の基板支持面12aから載置部材外周部上段11bの最上部までの高さと、第2の基板支持面22aからプラグ外周部上段21bの最上部までの高さとは、室温における半導体基板50の厚み以上である、換言すると載置部材外周部上段11bとプラグ外周部上段21bとは半導体基板50の表面以上の高さに形成されることが好ましい。さらに、載置部材外周部上段11bの高さとプラグ外周部上段21bの高さとが、半導体基板50の厚みよりも0.1mm以上0.9mm以下高いことが好ましい。このようにすると、エピタキシャル成長用原料ガスが図4の横方向から供給される場合、エピタキシャル成長用原料ガスが直接、半導体基板50の表面に吹き付けられず、また、基板外周53の近傍のガスの流れが乱れ難くなる。そして、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50の裏面への流れ抵抗が低減して半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できるとともに、基板外縁領域51と基板内側領域52とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。
ここで、第2の基板支持面22aからプラグ外周部上段21bの最上部までの高さは、第1の基板支持面12aから載置部材外周部上段11bの最上部までの高さ以下であればよく、載置部材外周部上段11bと同じ高さであることが好ましい。
また、図6に示すように、載置部材外周部上段11bおよびプラグ外周部上段21bは、載置部材外周部11から載置部材基板対向面13aまたは半導体基板50に向かう方向において、高さが低くなる傾斜を有してもよい。傾斜させることにより、エピタキシャル成長用原料ガスが図6の横方向から供給される場合、半導体基板50の表面に向かってエピタキシャル成長用原料ガス等が流れやすくなり、ガスの流れの乱れを生じ難くできる。この傾斜の角度は、エピタキシャル成長用原料ガス等の流量に応じて調節すればよい。
また、図7に示すように、載置部材外周部上段11bは、載置部材外周部11から載置部材基板対向面13aまたは半導体基板50に向かう方向において、高さが高くなる傾斜を有してもよい。ただし、この場合、室温において載置部材外周部上段11bおよびプラグ外周部上段21bの最上部は、基板外周53付近の半導体基板50の表面よりも0.1mm以上0.9mm以下程度、高いことが好ましい。なお、図6には載置部材外周部上段11bとプラグ外周部上段21bとの傾きは同一である例を示したが、図7に一例を示したように、載置部材外周部上段11bまたはプラグ外周部上段21bのどちらか一方が傾斜を有するようにしてもよい。
また、載置部材外周部上段11bおよびプラグ外周部上段21bは、エピタキシャル成長層と同じ材料である炭化ケイ素で構成されることが好ましい。このようにすると、エピタキシャル成長用原料ガスによって載置部材外周部上段11bまたはプラグ外周部上段21bに形成される膜と載置部材外周部上段11bまたはプラグ外周部上段21bとの密着性が向上し、この膜の剥離によるパーティクルの発生を抑制することができる。
また、基板載置部材10とプラグ20とはそれぞれ載置部材外周部11、プラグ外周部21を有する例を示したが、基板載置部材10とプラグ20とはそれぞれ載置部材外周部11、プラグ外周部21とを有していなくてもよい。
このような構成によっても、エピタキシャル成長用原料ガスが半導体基板50の裏面へ流れ込むことを防止でき、半導体基板の表面に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる際、半導体基板の裏面に膜が形成されることを防止でき、製造歩留まりを向上させることができる炭化ケイ素エピタキシャル成長装置を得ることができる。また、半導体基板50の加熱の面内均一性を向上させること、およびパーティクルの発生を抑制することができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、載置部材外周部11の一部および載置部材基板支持部12を円周方向で分断して載置部材プラグ設置部14を設け、載置部材プラグ設置部14にプラグ20を搭載し、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側を第1の基板支持面12aまたは第2の基板支持面22aのいずれかで支持した例を示したが、本実施の形態では、載置部材外周部11および載置部材基板支持部12を円周方向で分断せずに、プラグ支持面12bを有する載置部材プラグ設置部14を設け、載置部材プラグ設置部14にプラグ20を搭載し、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側をプラグ20の第2の基板支持面22aで支持する例について説明する。これ以外の構成は実施の形態1と同様である。
図8は、本実施の形態における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材10と、プラグ座面23aを有するプラグ20とを示す平面模式図である。図9は、プラグ20が搭載されていない基板載置部材10を示す平面模式図である。図10は、図8の破線B1-B2における断面を示す模式図であり、説明の明瞭化のため、半導体基板50が載置された状態を示している。
図9に示すように、載置部材外周部11および載置部材基板支持部12は円周方向で連続している。また、第1の基板支持面12aと同じ高さで連続するプラグ支持面12bを有している。図8、図10に示すように、プラグ20は、プラグ座面23aがプラグ支持面12b上に載置されるように搭載される。さらに、プラグ座面23aの上側の部分のプラグ外周部外壁21cが載置部材外周部内壁11aに接して沿うようにして、載置部材プラグ設置部14の位置に搭載される。そして、実施の形態1と同様に、第2の基板支持面22aは、その両端で第1の基板支持面12aと連続してつながっている。また、第2の基板支持面22aは、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側の第2の領域51bを支持している。
ここで、基板特定外周部53bの内側の基板外縁領域51は、基本的には全てを第2の基板支持面22aで支持するが、基板特定外周部53bと基板円形外周部53aとの境界部近傍は第2の基板支持面22aで支持せずに第1の基板支持面12aで支持してもよい。エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50の裏面への流れ抵抗、プラグ20の搭載および回収の作業性、基板載置部材10およびプラグ20の加工精度、半導体基板50の形状および寸法等を総合的に勘案して、基板載置部材10およびプラグ20を設計し、基板特定外周部53bと基板円形外周部53aとの境界部近傍を支持する面を選ぶことができる。
第2の基板支持面22aで基板特定外周部53bの内側を支持するようにすると、実施の形態1のように基板特定外周部53bが基板載置部材10のどの位置にあっても基板特定外周部53bの内側が支持されるような幅の広い第1の基板支持面12aを設けなくてもよく、第1の基板支持面12aの幅を狭くして半導体基板50と第1の基板支持面12aとの接触面を狭くできる。
このようにすると、基板載置部材10またはプラグ20から半導体基板50への熱伝導を抑制でき、半導体基板50の加熱の均一性が向上する。そのため、基板外縁領域51と基板内側領域52とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。
ここで、第1の基板支持面12aの幅を狭くしても、基板外周53の内側を基板載置部材10およびプラグ20で支持できるため、載置部材基板対向面13aと半導体基板50の裏面との間の空間を、基板載置部材10の外側に配置される図示しないエピタキシャル成長用原料ガス供給部から隔離して、エピタキシャル成長用原料ガスが半導体基板50の裏面へ流れ込むことを防止できる。
また、第1の基板支持面12aまたは第2の基板支持面22aが半導体基板50の裏面を支える長さ、換言すると基板外縁領域51の幅は、基板円形外周部53aの内側と基板特定外周部53bの内側とにおいて、実施の形態1では異なるが、本実施の形態では調整して同等にすることができる。そのため、本実施の形態では、エピタキシャル成長の際に半導体基板50が反っても基板外周53の内側は均一に支持され、基板特定外周部53bにおいても、エピタキシャル成長用原料ガス等の半導体基板50の裏面への流れ抵抗を高く保つことができる。そして、基板円形外周部53aと基板特定外周部53bとの付近のエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができるとともに、半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できる。
次に、本実施の形態における実施例について説明する。半導体基板50の基板特定外周部53bとしてオリフラを有し、直径が150mm、基板の中心からオリフラ部へ向かう垂線の長さが71.1mm、オリフラ部の直線部分の長さが47.5mmである炭化ケイ素単結晶基板を用いる場合には、炭化ケイ素単結晶基板を第1の基板支持面12aに載置して生じる炭化ケイ素単結晶基板の基板円形外周部53aと載置部材外周部内壁11aとの間のクリアランスを0.3mm、円状の載置部材基板対向部13の半径を74mmとし、第1の基板支持面12aの幅を1.3mm、第2の基板支持面22aの幅を1.5mmと決定することができる。
ここでも、実施の形態1と同様に、炭化ケイ素単結晶基板の直径の公差、基板載置部材10の加工精度、炭化ケイ素単結晶基板の載置または回収における作業性、炭化ケイ素単結晶基板への熱伝導等を考慮している。炭化ケイ素単結晶基板の端部と載置部材外周部内壁11aとの間のクリアランスを0.3mmとしたが、エピタキシャル成長の際に炭化ケイ素単結晶基板の端部と載置部材外周部内壁11aとが衝突しない程度であればよく、室温において炭化ケイ素単結晶基板の半径の1/200倍以上1/100倍以下程度であればよい。また、第1の基板支持面12aの幅を1.3mm、第2の基板支持面22aの幅を1.5mmとしたが、エピタキシャル成長の際に炭化ケイ素単結晶基板が反っても支持できる程度であればよく、0.4mm以上2mm以下が好ましい。
このようにすると、基板外周53付近の高温化が緩和され、基板外縁領域51と基板内側領域52とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。なお、図11に示すように、プラグ20には、設置または回収を容易にするための構造、例えば、ピンセットで掴むためのプラグ穴24をプラグ外周部上段21bに設けておいてもよい。
実施の形態3.
実施の形態1では、載置部材外周部11の一部および載置部材基板支持部12を円周方向で分断して載置部材プラグ設置部14を設けてプラグ20を設置し、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側を第1の基板支持面12aまたは第2の基板支持面22aのいずれかで支持した例を示したが、本実施の形態は、載置部材外周部11は分断せず、半導体基板50の基板特定外周部53bの内側を第2の基板支持面22aで支持する例について説明する。これ以外の構成は実施の形態1と同様である。
図12は、本実施の形態における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材10と、プラグ20とを示す平面模式図である。図13は、プラグ20が搭載されていない基板載置部材10を示す平面模式図である。図14は、図12の破線C1-C2における断面を示す模式図であり、説明の明瞭化のため、半導体基板50が載置された状態を示している。
図13に示すように、第1の基板支持面12aの幅は狭く、載置部材基板支持部12が円周方向で分断された部分に載置部材プラグ設置部14が設けられる。図12および図14に示すように、プラグ20は、プラグ外周部外壁21cが載置部材外周部内壁11aに接して沿うようにして、載置部材プラグ設置部14の位置に搭載される。そして、実施の形態1と同様に、第2の基板支持面22aは、その両端で第1の基板支持面12aと連続してつながっている。
このようにすると、第1の基板支持面12aと第2の基板支持面22aとの間の隙間を小さくできるため、実施の形態2に比べて、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50の裏面への流れ抵抗が増加し、さらに裏面へのガスの流れ込みが抑制される。また、半導体基板50の裏面を支持しながら基板外縁領域51の幅を小さくでき、基板載置部材10またはプラグ20から半導体基板50への熱伝導が抑制され、半導体基板50の加熱の均一性が向上する。そして、エピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等の均一性を向上させることができる。
また、実施の形態2と同様に、基板外縁領域51の幅は、基板円形外周部53aと基板特定外周部53bとの内側で同等にできる。そのため、エピタキシャル成長の際に、半導体基板50が反っても、基板外周53の内側は均一に支持され、基板特定外周部53bにおいても、エピタキシャル成長用原料ガス等の半導体基板50の裏面への流れ抵抗を高く保つことができる。そのため、基板円形外周部53aと基板特定外周部53bとの付近のエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができるとともに、半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できる。
本実施の形態において、基板載置部材10、プラグ20の各部の寸法は、実施の形態2と同様にして決定することができる。また、プラグ20には、設置または回収を容易にするための構造、例えば、ピンセットで掴むための穴を設けておいてもよい。
実施の形態4.
本実施の形態では、載置部材外周部11の外側にカバーリング30を取り付ける例について説明する。これ以外の構成は実施の形態1から実施の形態3と同様である。ここでは実施の形態3の基板載置部材10およびプラグ20を例に説明する。
図15は、本実施の形態における炭化ケイ素エピタキシャル成長装置の基板載置部材10と、プラグ20と、カバーリング30とを示す平面模式図である。図16は、図15の破線D1-D2における断面を示す模式図であり、説明の明瞭化のため、半導体基板50が載置された状態を示している。
図15、図16に示すように、載置部材外周部11の外側には載置部材外周部リング支持面11cを設け、載置部材外周部リング支持面11cに環状のカバーリング30を載せている。カバーリング30は、載置部材外周部リング支持面11cに対向または接触するリング内壁30aと、カバーリング30の上部に平坦なリング上段30bとを有する。ここで、カバーリング30と半導体基板50とが基板載置部材10に設置された状態において、リング上段30bの最上部は、半導体基板50の表面よりも高ければよい。また、リング上段30bの最上部は、載置部材外周部上段11bおよびプラグ外周部上段21b以上の高さであることが好ましい。さらに、リング上段30bの最上部は、室温において、基板外周53における半導体基板50の表面から0.1mm以上0.9mm以下程度、高くすることが好ましい。
このようにすると、エピタキシャル成長用原料ガスが図16の横方向から供給される場合、エピタキシャル成長用原料ガスが直接、半導体基板50の表面に吹き付けられず、また、基板外周53の近傍のガスの流れが乱れ難くなる。そして、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50の裏面への流れ抵抗が低減して半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できるとともに、基板外縁領域51と基板内側領域52とのエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができる。また、エピタキシャル成長用原料ガスがリング上段30bに沿うようにして半導体基板50の表面へ流れるため、半導体基板50の表面へ流れ込むガス流量を調整できるとともに、基板外周53の近傍のガスの滞留を抑制でき、半導体基板50の裏面へ流れ込む原料ガスを低減できる。そのため、基板円形外周部53aと基板特定外周部53bとの付近のエピタキシャル成長層の膜厚、キャリア濃度等を同等とすることができるとともに、半導体基板50の裏面に膜が形成されることを防止できる。
ここで、使用に伴ってカバーリング30に膜が形成されると、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50への流れを阻害し、乱れを生じる場合がある。また、基板載置部材10とカバーリング30とを加工した際に生じる寸法公差、エピタキシャル成長の条件等によっても、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50への流れに乱れが生じる場合がある。このため、カバーリング30を適宜交換することでリング上段30bの位置を調整し、エピタキシャル成長用原料ガスの半導体基板50への流れに乱れが生じないようにすることができる。ここで、カバーリング30に形成される膜が厚くなると、膜応力が大きくなり膜に損傷が生じてパーティクルが発生する場合があるため、パーティクルが発生する前にカバーリング30を交換することで、パーティクルの発生を抑制することができる。
カバーリング30の材料には、グラファイトに炭化ケイ素、炭化タンタル等がコーティングされたものを用いることができる。特に、リング上段30bはエピタキシャル成長層と同じ材料である炭化ケイ素で構成されることが好ましい。このようにすると、エピタキシャル成長用原料ガスによって形成されるリング上段30bの膜とリング上段30bとの密着性が向上し、この膜の剥離によるパーティクルの発生を抑制することができる。
なお、リング上段30bは、カバーリング30の外側から載置部材基板対向面13aまたは半導体基板50に向かう方向において、図17に示すような高さが低くなる傾斜、または図18に示すような高さが高くなる傾斜を有していてもよく、エピタキシャル成長条件に合わせて決めることができる。リング上段30bが傾斜を有している場合でも、上述の例で示した平坦な場合と同様、カバーリング30と半導体基板50とが基板載置部材10に設置された状態において、リング上段30bの最上部は、半導体基板50の表面よりも高く、載置部材外周部上段11bおよびプラグ外周部上段21b以上の高さであればよい。また、リング上段30bの最上部も、室温において、基板外周53における半導体基板50の表面から0.1mm以上0.9mm以下程度、高くすることが好ましい。
また、カバーリング30は、図19から図21に示すように、載置部材外周部上段11bを覆う形状としてもよい。この場合、載置部材外周部上段11bと載置部材外周部リング支持面11cとをリング内壁30aに沿うような形状にして隙間がないようにすればよく、図19から図21に示すような階段状、三角形状等とすることができる。カバーリング30の形状は、カバーリング30の取り付けおよび回収の作業性、パーティクルの発生量等を考慮して適宜、選択すればよい。
また、使用に伴ってカバーリング30に膜が形成されると、カバーリング30の部位毎に膜の厚みが異なるため、カバーリング30に反りが生じる場合がある。このため、カバーリング30にスリット、凹凸等の加工を施して、カバーリング30の反りを予防する構造としてもよい。スリット、凹凸等の加工を施す場合、半導体基板50へ向かうエピタキシャル成長用原料ガスの流れに乱れが生じないように考慮すればよい。
実施の形態5.
本実施の形態では、炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法について説明する。炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法は、基板載置部材10に半導体基板50の裏面の基板外縁領域51を支持するプラグ20を搭載するプラグ搭載工程と、載置部材基板対向面13aと半導体基板50の裏面とを離隔し、基板載置部材10の第1の基板支持面12aとプラグ20の第2の基板支持面22aとに半導体基板50を載置する基板載置工程と、半導体基板50の表面に炭化ケイ素をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、エピタキシャル成長工程の後に、第2の基板支持面22aに半導体基板50を載せたままプラグ20を持ち上げて半導体基板50を回収する回収工程とを備える。
プラグ搭載工程においては、プラグ20をピンセット等により掴み、例えば、平面視で載置部材基板支持部12が円周方向で分断された領域の載置部材プラグ設置部14にプラグ20をはめ込むように搭載する。ここで、実施の形態2で示した、載置部材基板支持部12が円周方向で分断されない基板載置部材10を用いた場合、載置部材プラグ設置部14の第1の基板支持面12aの上に、プラグ座面23aを有するプラグ20を搭載する。
基板載置工程においては、実施の形態1で示した基板載置部材10およびプラグ20の場合、先述したとおり、第1の基板支持面12aと第2の基板支持面22aとに半導体基板50の裏面の基板外縁領域51をどのように対応させて載置してもよい。実施の形態2から実施の形態4で示した例の場合、第2の基板支持面22aが基板特定外周部53bの内側の半導体基板50の裏面を支持させるように、半導体基板50を載置する。
エピタキシャル成長工程においては、加熱装置により基板載置部材10および半導体基板50を加熱し、基板載置部材10に載置された半導体基板50に水平な方向に配置されるエピタキシャル成長用原料ガス供給部からエピタキシャル成長用原料ガスを流し、半導体基板50の上にエピタキシャル成長層を形成する。
回収工程においては、エピタキシャル成長工程の後に、第2の基板支持面22aに半導体基板50を載せたままプラグ20を持ち上げ、半導体基板50を真空ピンセット等で回収する。そのため、半導体基板50の回収が簡易化し、半導体基板50、基板載置部材10、プラグ20およびピンセット等の治具の間で摩擦が生じることを防止でき、パーティクルの発生を抑制できる。
なお、基板載置部材10の載置部材外周部リング支持面11cにカバーリング30を取り付けるカバーリング取り付け工程をさらに備え、カバーリング取り付け工程とプラグ搭載工程とが順不同で処理された後、基板載置工程とエピタキシャル成長工程とがこの順序で処理されてもよい。
このようにして、半導体基板の表面に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させる際、半導体基板の裏面に膜が形成されることを防止でき、製造歩留まりを向上させることができる炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法を得ることができる。
上述以外にも各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
10 基板載置部材、 11 載置部材外周部、 11a 載置部材外周部内壁、 11b 載置部材外周部上段、 11c 載置部材外周部リング支持面、 12 載置部材基板支持部、 12a 第1の基板支持面、 12b プラグ支持面、 13 載置部材基板対向部、 13a 載置部材基板対向面、 14 載置部材プラグ設置部、 20 プラグ、 21 プラグ外周部、 21a プラグ外周部内壁、 21b プラグ外周部上段、 21c プラグ外周部外壁、 22 プラグ基板支持部、 22a 第2の基板支持面、 23 プラグ底部、 23a プラグ座面、 24 プラグ穴、 30 カバーリング、 30a リング内壁、 30b リング上段、 50 半導体基板、 51 基板外縁領域51、 51a 第1の領域、 51b 第2の領域、 52 基板内側領域、 53 基板外周、 53a 基板円形外周部、 53b 基板特定外周部。

Claims (16)

  1. 円形外周部を有する半導体基板を載置する基板載置部材と、前記基板載置部材に搭載されるプラグとを備える炭化ケイ素エピタキシャル成長装置であって、
    前記基板載置部材は、
    前記半導体基板の裏面の外縁領域を支持する第1の基板支持面を有した載置部材基板支持部と、
    前記半導体基板の裏面の前記外縁領域の内側の領域である基板内側領域と離隔して対向する載置部材基板対向面を有した載置部材基板対向部と
    を有し、
    前記プラグは、
    前記第1の基板支持面と同じ高さの面であり、前記半導体基板の前記外縁領域のうち前記第1の基板支持面で支持されない領域を支持し、その両端で前記第1の基板支持面と連続してつながる第2の基板支持面を有するプラグ基板支持部
    を有し、
    前記プラグの前記第2の基板支持面は、前記半導体基板の円形でない特定形状の外周部分である基板特定外周部の内側の前記外縁領域を支持する、炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  2. 前記基板載置部材は前記第1の基板支持面と同じ高さの面であり、前記第1の基板支持面と連続するプラグ支持面を有し、前記プラグは前記プラグ支持面上に載置されることを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  3. 前記基板載置部材は、前記載置部材基板対向面と同一平面上の、前記載置部材基板支持部が円周方向で分断された領域に設けられ、前記プラグが搭載される載置部材プラグ設置部をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  4. 前記基板載置部材は、前記載置部材基板支持部の外周側に載置部材外周部をさらに有し、前記プラグは、前記プラグ基板支持部の外周側にプラグ外周部をさらに有し、前記載置部材外周部の上段の最上部および前記プラグ外周部の上段の最上部は前記基板載置部材に載置される前記半導体基板の表面以上の高さに形成されることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  5. 前記載置部材外周部の上段と、前記プラグ外周部の上段とは、前記載置部材基板対向面に向かう方向において傾斜を有することを特徴とする、請求項4に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  6. 前記プラグ外周部の上段には穴が設けられることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  7. 前記載置部材基板対向面、前記載置部材外周部の内壁、前記プラグ外周部の内壁および前記第2の基板支持面は、1700℃以上の融点を有し、炭化ケイ素とは異なる材料で構成されることを特徴とする、請求項4から請求項6のいずれかに記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  8. 前記炭化ケイ素とは異なる材料は炭化タンタルであることを特徴とする、請求項7に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  9. 前記載置部材外周部の上に着脱可能に搭載され、その上段の最上部は前記半導体基板の表面よりも高い位置にある、カバーリングをさらに備えることを特徴とする、請求項4から請求項8のいずれかに記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  10. 前記カバーリングの上段は、高さ方向の位置において、前記載置部材外周部の上段および前記プラグ外周部の上段以上にあることを特徴とする、請求項9に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  11. 前記カバーリングの上段、前記載置部材外周部の上段および前記プラグ外周部の上段は、前記載置部材基板対向面に向かう方向において傾斜を有することを特徴とする、請求項9または請求項10に記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  12. 前記カバーリングは前記載置部材外周部の上段を覆うことを特徴とする、請求項9から請求項11のいずれかに記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  13. 前記カバーリングの少なくとも一部は炭化ケイ素で構成されることを特徴とする、請求項9から請求項12のいずれかに記載の炭化ケイ素エピタキシャル成長装置。
  14. 第2の基板支持面を有するプラグを、前記第2の基板支持面の高さと同じ高さであり、前記第2の基板支持面の両端で前記第2の基板支持面と連続してつながる第1の基板支持面を有する基板載置部材の上に着脱可能に搭載するプラグ搭載工程と、
    円形外周部を有する半導体基板の裏面の外縁領域を前記第1の基板支持面と前記第2の基板支持面とで支持し、前記半導体基板の裏面の前記外縁領域の内側の領域である基板内側領域を前記基板載置部材の内側の載置部材基板対向部と離隔するように、前記半導体基板を前記基板載置部材と前記プラグとに載置する基板載置工程と、
    前記基板載置工程の後に、前記半導体基板の表面に炭化ケイ素をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と
    を備え
    前記基板載置工程において、前記半導体基板の円形でない特定形状の外周部分である基板特定外周部の内側の前記外縁領域が、前記プラグの前記第2の基板支持面に支持される、炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法。
  15. 前記エピタキシャル成長工程の後に、前記第2の基板支持面に前記半導体基板を載せたまま前記プラグを持ち上げて前記半導体基板を回収する回収工程をさらに備えることを特徴とする、請求項14に記載の炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法。
  16. 前記エピタキシャル成長工程の前に、前記基板載置部材へ着脱可能にカバーリングを取り付けるカバーリング取り付け工程をさらに備えることを特徴とする、請求項14または請求項15に記載の炭化ケイ素エピタキシャル基板の製造方法。
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