JPH07245264A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、反応炉内の圧力が低く伝熱
に輻射熱が支配的な場合に基板の面内温度分布を均一に
保持して、均一な膜質の薄膜を成長させ得る気相成長装
置を提供することにある。 【構成】 反応炉２内に配設され基板８を支持するため
の基板ホルダー５と、この基板ホルダー５を加熱するヒ
ータ７と、基板８表面に薄膜を形成するためのガスを反
応炉２内に供給する供給口３と、基板ホルダー５の周縁
部で基板ホルダー５によって支持されると共に基板８の
周縁部に接触して基板８を支持し、光学的に透明な部材
から成る基板支持部材１０とを備えたことを特徴とする
気相成長装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体等の製造
に用いられる気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶基板上に例えば、化合物半導体の薄
膜を気相成長させて化合物半導体を製造する気相成長装
置は、反応炉内において基板を所定の温度に加熱保持
し、結晶基板（以下基板と称する）上に供給される原料
ガスを分解して反応せしめることで、薄膜を基板上に成
長させる。

【０００３】この際に、基板面内に均一な特性の膜を成
長させるためには基板の面内の温度分布を均一に保つこ
とが重要である。このために従来より面内が均一に加熱
された均熱板により基板を加熱する方法が一般的に広く
行われている。均熱板上に基板を直接載置すると、基板
と均熱板との接触が完全に均一ではない（基板および均
熱板の平面度の不均一や表面粗さに起因する）ために、
基板が熱応力により反る現象が発生する。この反りに起
因して、基板と均熱板との接触状態がさらに悪化して接
触する部分と接触しない部分とが大きく分かれ、基板に
対して大きな面内温度分布が生じてしまう。

【０００４】このような問題点を解決するために、従
来、特願平３−５０９０６号（特開平４−２１１１１７
号公報）のように、基板と均熱板との間に一定の間隔を
設けるために、基板の一部分を他の部材により保持して
基板を均熱板から離して保持する技術が提案されてい
る。この様な構成によれば、基板の保持部は、主に基板
を保持している部材からの熱伝導により加熱され、基板
のその他の部分は均熱板からの熱輻射と気体を媒体とし
ての熱伝導との複合により加熱される。したがって、装
置の条件に適した熱設計を適格に行うことにより、基板
の保持部と中央部とを等しい温度に加熱し、面内の温度
分布を均一にすることが可能である。

【０００５】しかしながら上記構成は、基板の加熱に対
して気体を通じての熱伝導寄与度が大きい場合にのみ有
効であった。つまり、例えば反応炉内の圧力が低い場合
には伝熱は輻射熱が支配的となる。上記特願平３−５０
９０６号に示される技術は、一般に反応炉内圧力が４０
Ｔｏｒｒ程度での熱設計に適した構成であり、圧力が１
０^-1Ｔｏｒｒ以下程度、例えば１０^-3Ｔｏｒｒの場合に
は、伝熱は輻射熱が支配的となり基板保持部材からの熱
伝導のみで、基板の保持部の温度をその他の部分の温度
と等しくして基板の面内温度分布を均一とすることは極
めて困難となってしまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な反応炉内の圧力が低い場合には伝熱は輻射熱が支配的
となり、基板の面内温度分布を均一とすることは極めて
困難となるといった状況に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは反応炉内の圧力が低く、伝熱に輻射
熱が支配的な場合に基板の面内温度分布を均一に保持し
て、均一な膜質の薄膜を成長させ得る気相成長装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
の気相成長装置は、反応炉内に配設され基板を支持する
ための基板ホルダーと、この基板ホルダーを加熱する加
熱手段と、前記基板表面に薄膜を形成するためのガスを
前記反応炉内に供給する供給手段と、前記基板ホルダー
の周縁部で該基板ホルダーによって支持されると共に前
記基板の周縁部に接触して該基板を支持し、光学的に透
明な部材から成る基板支持部材とを備えたことを特徴と
するものである。

【０００８】また、請求項２に記載の気相成長装置は、
さらに前記基板支持部材より上方に前記基板ホルダーか
らの熱が輻射されるのを防止するするための熱遮蔽手段
を設けたことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】上記のように構成された請求項１に記載の発明
の気相成長装置を用いて、基板に薄膜を形成させるに
は、加熱手段により基板ホルダーを加熱することにより
基板を所定の温度にまで加熱し、ガス供給手段から反応
炉内に基板表面に薄膜を形成するための原料ガスを供給
し、基板上に薄膜を形成させる。この時、反応炉内の圧
力は、例えば０．２Ｔｏｒｒ程度（１０^-1Ｔｏｒｒ〜１
０^-3Ｔｏｒｒ程度）に設定されている。

【００１０】このように気相成長させる時に、基板は加
熱手段により加熱される基板ホルダーに対して光学的に
透明な基板支持部材を介して所定距離だけ離して支持さ
れている。反応炉内の圧力が従来に比較して低圧である
ために基板ホルダーから基板への伝熱は、基板ホルダー
と基板との間に存在しているガス（気体）を媒体とした
熱伝導では殆ど伝わらず、輻射熱が支配的となる。基板
の周縁部を支持している基板支持部材が従来と異なり光
学的に透明な部材であるため、基板ホルダーからの輻射
熱が妨げられることなく基板の周縁部にも良好に伝達さ
れる。したがって、基板の周縁部を含めて基板の全面に
輻射熱が均一に到達可能となり、基板面内の温度が均一
に保持される。

【００１１】請求項２に記載の気相成長装置によれば、
熱遮蔽手段により基板支持部材よりも上方に熱が輻射さ
れ難いように構成されている。この熱遮蔽手段が設けら
れていない場合を想定すると次のことが理解できる。熱
遮蔽手段が設けられていない場合には、光学的に透明な
基板支持部材を通して、その上方空間に輻射熱が伝達さ
れ、基板支持部材の上方空間に設けられているガスを供
給するための供給口が加熱される。供給口の近傍が、例
えば２００〜３００℃に加熱されると原料ガスが熱分解
し、供給口の近傍に生成物が付着してしまう。この付着
物の堆積が顕著になると生成物が基板上に落下し、基板
に形成される薄膜の品質が極端に低下する。

【００１２】請求項２に記載した構成のように、熱遮蔽
手段設けることにより基板支持部材の上方空間が加熱さ
れることが抑制され、生成物の付着を防止することがで
きる。したがって、薄膜の品質が低下することが防止で
きる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の気相成長装置の一実施例につ
いて図面を参照して説明する。 （実施例の構成）図１は、本発明の気相成長装置の一実
施例に係る概略全体構成図を示している。図１に示すよ
うに、ベースプレート１上に気密状態に取付けられた反
応炉２内に、基板８を載置するための基板ホルダー５
と、この基板ホルダー５をベースプレート１上に支持す
る支持部材６と、基板ホルダー５を加熱して基板８を所
定温度に保つためのヒータ７が設けられている。

【００１４】また、反応炉２の上部にはガス（原料ガ
ス、キャリアガス等）を反応炉２内に供給するための供
給口３が設けられ、反応炉２の下部にはガスを反応炉２
外に排出するための排出口４が設けられている。

【００１５】そして、本発明の特徴部分は、基板８を基
板ホルダー５に載置する部分の具体的な構成である。す
なわち、図２に拡大図を示すように、基板ホルダー５の
外周部に形成された段部５ａに、例えば石英ガラス等の
光学的に透明な部材から成り、円環状（リング状）に形
成された基板支持部材１０を載置し、この基板支持部材
１０の内周の周縁部で基板８の外周縁部を支持してい
る。このように、基板支持部材１０を介して基板１０を
基板ホルダー５から所定距離だけ離して支持するように
構成している。

【００１６】さらに、基板支持部材１０の基板８が当接
しない部分（基板８と重ならない部分）には、図示のご
とく例えば、単結晶シリコン、窒化シリコンあるいは、
アルミナ等のセラミックス等から成る光学的に非透明な
熱遮蔽部材１１が載置されている。

【００１７】これら基板支持部材１０および熱遮蔽部材
１１の形状は、一例として図３および図４に示すように
構成されている。つまり、基板支持部材１０は、円環状
（リング状）に形成され、内径は基板８の外径とほぼ等
しい程度に設定され、内周側には基板８を複数箇所で支
持するための支持突起１０ａが突出形成されている。こ
の実施例では支持突起は１０ａは３つ形成されており、
安定して支持するためには均等に配置されていることが
望ましい。また、材質は前述したように光学的に透明で
輻射熱が透過でき、また気相成長のための基板温度、例
えば比較的高温な７００〜８００℃程度でも劣化せず、
耐熱性が優れていること、あるいは気相成長温度に加熱
しても内部から気相成長に悪影響を与えるガス等が発生
しないこと等の条件を満たす石英ガラス等が望ましい。

【００１８】また、熱遮蔽部材１１も円環状に形成さ
れ、内径は基板８の周囲を囲むことが可能なように、基
板８の外形より僅かに大きい程度に形成され、基板８に
オリエンテーションフラット部等が形成されている場合
にも、この基板８の形状と相似形状に内周の形状が構成
されている。また、材質は前述したように光学的に非透
明で輻射熱を遮蔽可能で、気相成長温度に加熱しても劣
化の少ない耐熱性を有していること等の条件を満たす、
例えば、単結晶シリコン、窒化シリコンあるいは、アル
ミナ等のセラミックスが望ましい。

【００１９】なお、基板支持部材１０は環状に形成され
る必要はなく、支持突起１０ａのみで構成しても良い。
つまり、複数の光学的に透明な支持突起１０ａを基板ホ
ルダー５に取付け、この支持突起１０ａで基板８を支持
し、熱遮蔽部材１１を設ける場合には上記と同様に基板
８の周囲を取り囲む形状を採用する。

【００２０】（実施例の作用）このように構成された本
発明の気相成長装置を用いて、基板８に薄膜を形成させ
るには、ヒータ７により基板ホルダー５を加熱すること
により基板８を所定の温度にまで加熱し、供給口３から
反応炉２内に例えば、ホスフィンあるいは、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウ
ム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）等の有機金
属等を供給し、基板８上に薄膜を形成させる。反応炉２
内の圧力は、例えば０．２Ｔｏｒｒ程度（１０^-1Ｔｏｒ
ｒ〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度）に設定されている。

【００２１】このように気相成長させる時に、基板８は
ヒータ７により加熱される基板ホルダー５に対して光学
的に透明な基板支持部材１０を介して所定距離だけ離し
て支持されている。前述したように反応炉２内の圧力が
従来に比較して低圧であるために基板ホルダー５から基
板８への伝熱は、基板ホルダー５と基板８との間に存在
しているガス（気体）を媒体とした熱伝導では殆ど伝わ
らず、輻射熱が支配的となる。基板８の周縁部を支持し
ている基板支持部材１０が従来と異なり光学的に透明な
部材であるため、基板ホルダー５からの輻射熱が妨げら
れることなく基板８の周縁部にも良好に伝達される。し
たがって、基板８の周縁部を含めて基板８の全面に輻射
熱が均一に到達可能であるため、基板８面内の温度が均
一に保持される。

【００２２】上記実施例の構成を採用した気相成長装置
と、従来例で説明した特願平３−５０９０６号に示され
る気相成長装置とを反応炉内を０．２Ｔｏｒｒの圧力に
保持して、基板上に薄膜を成長させた時に基板表面温度
をモニタし、その測定結果を図８に示す。図８では、本
発明実施例の基板温度を○印で示し、従来装置基板温度
を△印で示している。なお、この実験では、基板を基板
ホルダー上に複数枚設置する構成を採用しており、基板
ホルダーの中心部分に１枚の基板を配設し、その周囲に
複数枚を配設しており、図８では中心部分の１枚の基板
とそれに隣接した他の１枚の基板の表面温度を測定した
結果である。

【００２３】図８から明らかなように、○印で示した本
発明実施例の気相成長装置では、中心からの距離が離れ
るにしたがって、若干の基板温度の低下が見られるが、
複数の基板が共に表面温度がほぼ均一に保持されてい
る。一方、△印で示した従来装置では、それぞれの基板
において、基板の周縁部が基板の中央部分よりも基板表
面温度が高くなっており、基板表面温度が不均一である
ことが理解できる。このように、本発明の気相成長装置
によれば基板表面温度を均一に保持できるので、薄膜の
品質を均一化できると共に、スリップの発生を防止でき
る。

【００２４】一方、熱遮蔽部材１１が基板支持部材１０
の基板８が当接しない部分（基板８と重ならない部分）
に載置されている。この熱遮蔽部材１１が載置されてい
ない場合を想定すると次のことが理解できる。熱遮蔽部
材１１が載置されていない場合には、光学的に透明な基
板支持部材１０の基板８が載置されていない部分を通し
てその上方空間に熱が輻射され、基板支持部材１０の上
方空間に設けられているガスを供給するための供給口３
が加熱される。供給口３の近傍が例えば２００〜３００
℃に加熱されると、原料ガスとしての例えば、ホスフィ
ンが熱分解し供給口３の近傍に生成物が付着してしま
う。この付着物の堆積が顕著になると生成物が基板８上
に落下し、基板８に形成される薄膜の品質が極端に低下
する。

【００２５】上記実施例のように、熱遮蔽部材１１を設
けることにより基板支持部材１０の上方空間が加熱され
ることが抑制され、生成物の付着を防止することができ
る。したがって、薄膜の品質が低下することが防止でき
る。

【００２６】（実施例の効果）上述のように、この実施
例によれば、基板８の周縁部を支持している基板支持部
材１０が従来と異なり光学的に透明な部材であるため、
基板ホルダー５からの輻射熱が妨げられることなく基板
８の周縁部にも良好に伝達され、基板８の周縁部を含め
て基板８の全面に輻射熱が均一に到達可能であるため、
基板８面内の温度が均一に保持される。したがって、薄
膜の品質を均一化できると共に、スリップの発生を防止
できる。

【００２７】さらに、熱遮蔽部材１１を設けることによ
り基板支持部材１０の上方空間が加熱されることが抑制
され、生成物の付着を防止することができる。したがっ
て、薄膜の品質が低下することが防止できる。

【００２８】（他の実施例の構成）なお、本発明の気相
成長装置は、図５乃至図７に示すような構成を採用する
こともできる。

【００２９】図５に示した第２の実施例は、上記実施例
で熱遮蔽部材１１を基板支持部材１０上に載置して構成
していたものを、基板支持部材１０の上面に光学的に非
透明な熱遮蔽材料をコーティングした熱遮蔽膜１５を設
けたものである。この熱遮蔽膜１５の材料は、上記熱遮
蔽部材１０と同様な単結晶シリコン、窒化シリコンある
いは、アルミナ等のセラミックスを採用することができ
る。

【００３０】図６および図７に示した第３および第４の
実施例は、上記実施例で基板支持部材１０で基板８を支
持する構成であったのを、熱遮蔽部材１１を本体とし、
この遮蔽部材１１に光学的に非透明な基板支持部材１０
を支持突起として一体的に形成して基板支持部材１０で
基板８を支持するように構成した例である。

【００３１】これら他の実施例も上記実施例と基本的に
同一の思想に基づいて成された実施例である。 （他の実施例の作用）これらの他の実施例においても、
上記実施例と同様な作用が得られる。つまり、他の実施
例の構成を採用して気相成長させる時にも、基板８はヒ
ータ７により加熱される基板ホルダー５に対して光学的
に透明な基板支持部材１０を介して所定距離だけ離して
支持されている。前述したように反応炉２内の圧力が従
来に比較して低圧であるために基板ホルダー５から基板
８への伝熱は、基板ホルダー５と基板８との間に存在し
ているガス（気体）を媒体とした熱伝導では殆ど伝わら
ず、輻射熱が支配的となる。基板８の周縁部を支持して
いる基板支持部材１０が従来と異なり光学的に透明な部
材であるため、基板ホルダー５からの輻射熱が妨げられ
ることなく基板８の周縁部にも良好に伝達される。した
がって、基板８の周縁部を含めて基板８の全面に輻射熱
が均一に到達可能であるため、基板８面内の温度が均一
に保持される。

【００３２】さらに、熱遮蔽膜１５あるいは熱遮蔽部材
１１を設けることにより基板ホルダー５の上方空間が加
熱されることが抑制され、供給口３近傍に生成物が付着
することを防止することができる。したがって、薄膜の
品質が低下することが防止できる。

【００３３】（他の実施例の効果）これらの他の実施例
においても、上記実施例と同様な効果が得られる。つま
り、基板８の周縁部を支持する基板支持部材１０が従来
と異なり光学的に透明な部材であるため、基板ホルダー
５からの輻射熱が妨げられることなく基板８の周縁部に
も良好に伝達され、基板８の周縁部を含めて基板８の全
面に輻射熱が均一に到達可能であるため、基板８面内の
温度が均一に保持される。したがって、薄膜の品質を均
一化できると共に、スリップの発生を防止できる。

【００３４】さらに、熱遮蔽部材１１あるいは熱遮蔽膜
１５を設けることにより基板ホルダー５の上方空間が加
熱されることが抑制され、生成物の付着を防止すること
ができる。したがって、薄膜の品質が低下することが防
止できる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、反
応炉内の圧力が低く、伝熱に輻射熱が支配的な場合にも
基板の面内温度分布を均一に保持して、均一な膜質の薄
膜を成長させ得る気相成長装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の気相成長装置の概略構成を説明する
ための全体構成図。

【図２】 本発明の気相成長装置の要部の基板支持部を
示す部分断面図。

【図３】 本発明の気相成長装置の要部の基板支持部材
の一例を示す平面図。

【図４】 本発明の気相成長装置の要部の熱遮蔽部材の
一例を示す平面図。

【図５】 本発明の気相成長装置の要部の基板支持部材
の他の実施例を示す平面図。

【図６】 本発明の気相成長装置の要部の基板支持部材
の他の実施例を示す平面図。

【図７】 本発明の気相成長装置の要部の基板支持部材
の他の実施例を示す平面図。

【図８】 本発明と従来の気相成長装置における基板表
面温度の分布をそれぞれ示す温度分布図である。

【符号の説明】

１ ベースプレート ２ 反応炉 ３ 供給口 ５ 基板ホルダー ７ ヒータ ８ 基板 １０ 基板支持部材 １０ａ 支持突起 １１ 熱遮蔽部材 １５ 熱遮蔽膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応炉内に配設され基板を支持するため
   の基板ホルダーと、この基板ホルダーを加熱する加熱手
   段と、前記基板表面に薄膜を形成するためのガスを前記
   反応炉内に供給する供給手段と、前記基板ホルダーの周
   縁部で該基板ホルダーによって支持されると共に前記基
   板の周縁部に接触して該基板を支持し、光学的に透明な
   部材から成る基板支持部材とを備えたことを特徴とする
   気相成長装置。
2. 【請求項２】 前記基板支持部材より上方に前記基板ホ
   ルダーからの熱が輻射されるのを防止するするための熱
   遮蔽手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の気相
   成長装置。