JPH0465819A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は気相成長装置に関する。特にウェハ面内での
温度均一性と加熱効率を向上するための改良に関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】気相成長装置
は加熱された半導体ウェハの上に有機金属ガス、水素化
物ガス、水素ガスなどの原料ガスを流しウェハの上に単
結晶薄膜を成長させるものである。 カーボンなどのサセプタの上に半導体ウェハを置きこれ
を加熱するのであるが、加熱のために抵抗加熱、光加熱
、高周波誘導加熱などが用いられる。 このうち抵抗加熱はウェハの面内での温度均一性を高く
できて、しかもリアクタの外部が単純化されるなどとい
う利点がある。 抵抗加熱の場合、ヒータの分布によりウェハの面内での
温度分布をある程度自由に規定することができる。たた
し原料ガスに接触して腐蝕されるような材質からなるヒ
ータの場合、ヒータは耐蝕性ある容器の中に密封しなけ
ればならない。 特開昭６３−１９６０３３号 特開昭６３−２７８３２２号 はタンタルヒータを断熱材と共に石英製のケーシングの
中に密封し、ケーシングの上にサセプタを置くような構
造を提案している。 タンタル線はケーシングの中に密封されているので、反
応性に富む（例えばハロゲン系ガス）原料ガスがリアク
タ内に導入されてもタンタルヒータが腐蝕されないとい
う利点がある。 しかしこのようなものはサセプタ、半導体ウェハが静止
したケーシングの上に戴置されるので、ウェハとヒータ
の関係が固定的である。このためウェハの面内で温度が
均一にならない事がある。 そこで本発明者はヒータとサセプタの間が固定的でなく
、サセプタがヒータに対して回転できるようにした構造
のものを考案した。第２図によってこのような構造を説
明する。 半導体ウェハ１を装着したカーボン製のトレイ２が円筒
形のサセプタ３の上に戴置されている。 サセプタ３は上板と側板とよりなり内部に空間を有する
。この内部空間に抵抗加熱ヒータ４が設けられる。これ
はカーボンのヒータである。 円筒形のサセプタ３は下方に於いて回転シャフト５によ
って支持される。回転シャフト５は下部に回転機構（図
示せず）を有し鉛直軸の周りに回転できるようになって
いる。 ヒータ４は電極６によって支持される。これは回転しな
い。ヒータ４の直下には輻射熱を反射するためのりフレ
フタ８が設けられている。 このようなヒータ・サセプタ構造は、サセプタが回転す
るのでウェハの円周方向の温度分布が均一になるという
利点がある。

【発明が解決しようとする課題】

カーボンによってサセプタ３、トレイ２が作られている
。カーボンは熱伝導率が高い。このためトレイ２、ウェ
ハ１の周縁から大量の熱がサセプタ３の側周面へ逃げる
。トレイ２の周縁は原料ガスの流れが早いのでガスによ
って熱が奪われる。 このようにウェハ１、トレイ２の周縁から熱伝導、対流
によって大量の熱が失われる。ところがウェハ１、トレ
イ２の中心部は熱伝導による熱損失は少ない。トレイ２
の中心部の直下にはサセプタ中心部が接触しているが、
トレイ２よりサセプタ３の中心部の方が高温であるから
こちらへは熱伝導が起こらない。トレイ２の面内での熱
伝導が問題になるが、トレイの中心部周縁部の温度差は
あまり大きくない またトレイ２、ウェハ１の中心部は上方から導入された
原料ガスに対して澱み点となり流速が小さい。このため
対流による熱損失が少ない。 こういう訳でトレイ２、ウェハ１の面内の半径方向の温
度均一性はよくないことがある。ウェハの直径にもよる
が第２図のようなヒーターサセプタ構造の場合、ウェハ
の中心と周縁の温度差が２０〜３０℃にも達する事があ
る。このように温度差が著しいと、ウェハ上に堆積され
た薄膜の膜厚、組成、電気的特性などが不均一になって
しまう。 もうひとつの欠点はヒータによるウェハの加熱効率が必
ずしも高くないという事である。ヒータの上向きの輻射
熱はサセプタの上面を加熱するがこの熱は熱伝導によっ
てサセプタの側面へ逃げるサセプタ側面へ伝わった熱は
輻射及び対流によってリアクタ内部雰囲気へ放散される
。このためヒータで生じた熱がウェハ加熱のために有効
に利用されない。 ウェハ、トレイの面内での温度分布が均一で加熱効率の
高い気相成長装置を提供することが本発明の目的である
。

【課題を解決するための手段】

本発明の気相成長装置は、トレイを半径方向に内部トレ
イと外部トレイに２分割している。内部トレイと外部ト
レイが組み合わさってサセプタの上に乗っているものと
する。しかもサセプタは上壁の無い円筒形状である。さ
らに内部トレイに下向きの鍔部を設はヒータの輻射熱を
集めるように下方へ延長した形状とする。

【　　作　　用　　】

トレイが内外２部材に分割されているので、これらの部
材間の熱伝導は極めて少なくなる。 ヒータの加熱により内部トレイが高温になる。 外部トレイはヒータからより遠いのでヒータから受ける
輻射熱が少なくより低温である。内部トレイと外部トレ
イに温度差があるのであるが、これらは２つに分割され
ており微視的には空隙があるこの空隙のために熱伝導が
著しく小さくなり、内部トレイから外部トレイへ逃げる
熱は少なくなるのである。 しかもサセプタの上壁が無いのでヒータの輻射熱が直接
にトレイに照射されこれを加熱する。サセプタの上壁を
一旦加熱してこれからトレイに熱伝導するのに比べて加
熱効率が良い。 内部トレイは強く加熱されしかも外部トレイへ簡単に熱
が逃げることが無いので、内部トレイの面内での温度分
布が均一になる。トレイの温度分布が一様であればその
上にあるウェハの温度分布も一様である。 ウェハの温度分布が一様になるので、この上に形成した
薄膜の膜厚、組成、電気的特性が面内で均一になる。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は本発明の実施例に係る気相成長装置のサセプタ
近傍の縦断面図である。 半導体ウェハ１は略平板上のトレイ２の上に装着される
。トレイ２は円筒形のサセプタ３の上端に置かれている
。第２図のものと違ってサセプタ３は上壁の無い円筒形
である。サセプタ３か囲む円形の空間に抵抗加熱用のヒ
ータ４が設けられるこれはカーボンヒータであり、渦巻
き状の流路（図示せず）が水平に形成されている。 円筒形のサセプタ３の下端はリング杖の支持板部１２を
経て回転シャフト５によって支持される。 回転シャフトは中空円筒の軸である。下方に於いて軸受
け（図示せず）により支持され、回転導入機（図示せず
）によって鉛直軸のまわりに回転するようになっている
。 回転シャフト５の内部空間には電極６が鉛直方向に設け
られる。これは抵抗加熱ヒータ４の両端に接続されてい
る。電極６を通してヒータ４に直流または交流の電流が
流される。 ヒータ４の直下には複数枚のりフレフタ８が設けられる
。これはヒータ４から下に向かう輻射熱を上方へ反射す
るものである。リフレクタ８は、電極６に対し絶縁体（
図示せず）を介して取り付けることによって支持できる
。あるいは電極６とは別に絶縁体の支柱を設けてリフレ
クタ８を支持するようにしても良い。 トレイ２、サセプタ３、ヒータ４、回転シャフト５など
は縦長円筒形のりアクタ７によって囲まれている。これ
は石英によって例えば作られる。 縦長で上方が円錐または半球吠になっており上類部に原
料ガス導入口（図示せず）がある。下方に排ガス出口（
図示せず）があって真空排気装置（図示せず）に連絡し
ている。 原料ガスは上類部から導入され下方に向かって流れる。 加熱されたウニハエに於いて気相反応し薄膜形成する。 リアクタ７の周囲には冷却水ジャケット１１が設けられ
る。 本発明の特徴ある部分はトレイ２が半径方向に２分割さ
れているということである。内部トレイ９と外部トレイ
１０に分割され相互に組み合わせ分離可能になったトレ
イである。 内部トレイ９と外部トレイ１０の境界面１３は断面がカ
ギ型になっている。これは外部トレイ１０の開口縁の上
に内部トレイ９を置くようにするためである。外部トレ
イ１０の端縁を持ち上げることによってトレイ２の全体
を持ち上げることができるようにこのような境界面の形
状になっている。 サセプタ３は単純な円筒壁を持つものであってもよい。 しかしこの実施例では、内外部トレイ９１０でサセプタ
３の上端層を挟むような形状になっている。 サセプタ３の上端層は内外に面取りが施されており、外
斜面１４と内斜面１５とが形成されている。 これに対応して外部トレイ１０は内向斜壁１６を、内部
トレイ９は外向斜壁１７を有する。外部トレイ１０の内
向斜壁１６はサセプタ３の外斜面１４に接する。内部ト
レイ９の外向斜壁１７はサセプタ３の内斜面１５に接す
る。 内部トレイ９の下部周縁には鍔部１８が下方に向かって
延びている。これはヒータ４から出て側方に向かう輻射
熱を吸収するためである。 ヒータ４は平板状のヒータで電流路が平面上に渦巻き状
に形成されている。抵抗体であるからこれに通電するこ
とによってジュール熱が発生するこの熱は大部分は上方
または下方に向かう。これはヒータの幾何学的形状に由
来する。 ヒータ４は上方、側方を内部トレイ９により、下方をリ
フレクタ８によって仕切られている。ヒータ４から下方
に向かう輻射熱はりフレフタ８によって反射されて上方
に向かう輻射熱となる。上方に向かう輻射熱は内部トレ
イ９の下底に照射されこれに吸収される。 側方へ向かうヒータからの輻射熱は内部トレイ９の下に
延びた鍔部１８によって吸収される。 このようにヒータの輻射熱はサセプタを介して（第２図
のように）ではなく、直接に内部トレイ９を加熱する。 幾何学的関係から、ヒータの輻射熱のうち僅かな割合だ
けがサセプタ３に当たることになる。ヒータの熱が極め
て有効に利用されている。加熱効率が優れている。 さてヒータの輻射は殆ど全てが内部トレイθを加熱する
ために用いられる。内部トレイ９の上にはウェハ１が置
いであるから、ウェハ１は内部トレイ９からの熱伝導に
より加熱される。内部トレイ９から、これより温度の低
い外部トレイ１０１サセプタ３へ熱が逃げる。しかし内
部トレイ９と外部トレイ１０の間には境界面１３があり
熱伝導は著しく悪くなる。 内部トレイ９とサセプタ３の間にも、内向斜壁１６と外
斜画工４の空隙があるので、熱伝導が阻止される。 結局内部トレイ９から外部トレイ１０１サセプタ３へ逃
げる熱が少なくなる。内部トレイ９の内部に於ける熱の
移動が少なくなるという事は、内部トレイ９の内部の温
度差が小さいということである。つまり内部トレイ９の
温度は均一である。 熱的環境に於いて内部トレイ９は孤立するということが
できる。従ってウェハ１の温度も面内に於いてより均一
になる。 このようにして加熱効率が良く、ウェハの面内温度均一
性に優れた気相成長装置を実現することができる。 材質について述べる。 サセプタ３、内部トレイ９、外部トレイ１０はカーボン
製で表面にＳｊＣ、またはＰＢＮをコーティングしたも
のである。カーボンは耐熱性があり反応性ガスに対して
も強い。しかしカーボンの表面は摩擦に弱く粉が出やす
いのでコーティングしなければならない。 内部トレイ９は温度の均一性が強く要求されるので熱伝
導の高いカーボンである事が望ましい。 しかし、サセプタ３や外部トレイ１０は熱伝導の低い方
が良いので石英や熱伝導率の小さなセラミックとしても
良い。石英の熱伝導率はカーボンより一桁かさい。 リフレクタ８は耐熱性があって反射率の高いものがよい
のでＭＯｌＴａｌＷなど高融点金属の板を用いる。 ヒータ４はカーボンのヒータとすることができる。 内部トレイ９の鍔部１８は特に重要であり、ヒータの熱
を鍔部１８によって吸収しやすくするため、これを下方
に延長している。さらにヒータ４に接近するよう内方へ
延長するのも有用である。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】トレイを内部
トレイと外部トレイに分割し、サセプタの上壁が欠けて
いるのでヒータの熱の殆ど全てが内部トレイ加熱に利用
され、加熱効率が優れている。 内部トレイから熱伝導によって逃げる熱が少なく、内部
トレイの周縁部と中央部での温度差が小さくなる。ウェ
ハの面内温度均一性が良い。実際本発明の装置によれば
ウェハの周縁と中心部との温度差を上２゜５℃の範囲に
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る気相成長装置のサセプタ
、トレイ、ヒータ近傍の縦断面図。 第２図は本発明者が以前に製作した気相成長装置のサセ
プタ、トレイ、ヒータ近傍の縦断面図。 １・・・・・ウェハ ２・−・・・トレイ ３・・・・・サセプタ ４・・・・・ヒータ ５・・・・・回転ンヤフト ６・・・・・電　極 ７・・・・・リアクタ ８Φ６１１・・リフレクタ ９・・１１命・内部トレイ １０・拳・・外部トレイ １１・・・・冷却水ジャケット １２・・・Φ支持板部 １３・・・・境界面 １４・・・・外斜面 １５・・・・内斜面 １６・・・・内向斜壁 １７・・・・外交斜壁 発明者

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空に引く事ができ内部に原料ガスを流す事ので
   きるリアクタと、リアクタの内部に回転自在に設けられ
   るサセプタと、サセプタを支持する中空の回転シャフト
   と、サセプタの内部空間に設けられる抵抗加熱ヒータと
   、ヒータを支持し電流を流すための電極と、サセプタの
   上に設けられウェハを上面に装着すべきトレイとを含み
   、トレイが半径方向内外に２分割された内部トレイと外
   部トレイとよりなり、サセプタは上壁を欠く筒状である
   ことを特徴とする気相成長装置。
2. （２）内部トレイは、ヒータ輻射熱を吸収するための下
   面周縁に下方へ延長した鍔部を有する事を特徴とする請
   求項（１）に記載の気相成長装置。