JPH10326754A - 加熱装置 - Google Patents

加熱装置

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JPH10326754A
JPH10326754A JP10045636A JP4563698A JPH10326754A JP H10326754 A JPH10326754 A JP H10326754A JP 10045636 A JP10045636 A JP 10045636A JP 4563698 A JP4563698 A JP 4563698A JP H10326754 A JPH10326754 A JP H10326754A
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single crystal
crystal substrate
silicon
heating device
support
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JP10045636A
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Hitoshi Habuka
等 羽深
Toru Otsuka
徹 大塚
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間に昇温することができるとともに、半
導体単結晶基板およびこれを基に製造される半導体結晶
薄膜などに発生するスリップ欠陥などの発生を抑制する
ことができ、特に今後の大口径半導体単結晶基板の加熱
に伴う工程において極めて有用な加熱装置を提供する。 【解決手段】 透明容器の外側に配置された輻射熱源か
ら発する輻射光を用いて該透明容器内の被加熱領域に載
置された半導体単結晶基板を加熱処理する装置であり、
該輻射熱源と該半導体単結晶基板の間に設けられ、該半
導体単結晶基板を支持する支持台が、該輻射熱源から発
せられる輻射光を透過する材料からなるとともに、グラ
ファイトよりも高い熱伝導性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、輻射熱源から発す
る輻射光を用いて半導体単結晶基板を加熱処理するため
の加熱装置に関する。
【０００２】
【関連技術】半導体単結晶を加熱処理する技術のひとつ
として、珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜を１０００
℃〜１２００℃の温度範囲で気相成長させるためには、
例えば特開昭５０−８４７３号公報に記載されるような
気相成長装置を用いる。この気相成長装置においては、
まず、その反応容器内に配置されたグラファイト製の支
持台に、珪素単結晶基板をその裏面全体を接触させて載
置する。このグラファイト製の支持台は熱容量が大きい
ので、赤外線ランプから輻射されたエネルギーを効率良
く吸収することができる。
【０００３】次に、赤外線ランプから特定の波長のエネ
ルギーを輻射すると、該特定の波長のエネルギーを吸収
して前記支持台が加熱される。その結果、該支持台に載
置された珪素単結晶基板は、赤外線ランプにより主表面
が加熱されると同時に支持台により裏面が加熱されるの
で、珪素単結晶基板中の熱勾配が小さくなり、スリップ
転位の発生が抑制される。スリップ転位は熱処理の際に
存在する応力によって発生し、熱応力起因のものと曲げ
応力起因のものがある。つまり、珪素単結晶基板を均一
に加熱することにより熱勾配を小さくすると、熱応力起
因のスリップ転位が抑制できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】近年、珪素単結晶基板
の直径は電子工業技術の発達と共に大きくなり、近い将
来において３００ｍｍの直径を有する珪素半導体単結晶
基板が使われ始め、その後には、直径が４００ｍｍにな
ると予想されている。
【０００５】珪素単結晶基板の直径が大きくなるにつれ
て、気相成長装置は、一度に複数の基板を処理できるバ
ッチ式から、一度に一枚の基板のみを処理する枚葉式に
変わってきている。
【０００６】しかしながら、枚葉式の装置で熱容量が大
きいグラファイト製の支持台を使用する場合、赤外線ラ
ンプから輻射光を照射して前記支持台を１０００℃以上
の温度まで昇温するのに要する時間が長いために、熱処
理工程全体の時間が長くなり、枚葉式の装置の処理能力
に限界を生じている。
【０００７】そこで、珪素単結晶基板の外周部を円環状
に支持する手段が提案された。この円環状支持台は、そ
の容積が小さいので、該円環状支持台を昇温する時間を
大幅に短縮することができる。
【０００８】ところが、グラファイト製の円環状支持台
で珪素単結晶基板を保持して１０００℃以上の温度まで
昇温すると、スリップ転位が発生する。スリップ転位
は、珪素単結晶基板の直径が大きい程発生しやすい。
【０００９】グラファイト製の円環状支持台を用いると
スリップ転位が発生しやすい理由について研究したとこ
ろ、珪素単結晶基板において、前記円環状支持台に接触
する外周部では輻射光のエネルギーが支持台を加熱する
ために使用されるが、前記円環状支持台に接触していな
い珪素単結晶基板の内周部では輻射光が該珪素単結晶基
板を直接加熱するために、外周部よりも速やかに昇温す
るので、珪素単結晶基板の外周部と内周部との間に大き
な温度差が発生し、熱応力が発生することが明らかにな
った。
【００１０】そこで、グラファイトの代わりに石英製ガ
ラスを支持台の材料として用いると、輻射光の遮断によ
る温度差の発生は防止できるものの、熱伝導率が１０Ｗ
／ｍ・Ｋ（ワット／メートル・ケルビン）以下であり、
グラファイトの４５Ｗ／ｍ・Ｋに比べて小さいために、
珪素単結晶基板の外周部において温度を均一化する効果
が乏しく、結果としてスリップ転位の発生を十分に防止
することができない。
【００１１】本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑
みなされたもので、短時間に昇温することができるとと
もに、半導体単結晶基板およびこれを基に製造される半
導体結晶薄膜などに発生するスリップ転位などの欠陥の
発生を抑制することができ、特に今後の大口径半導体単
結晶基板の加熱に伴う工程において極めて有用な加熱装
置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の加熱装置は、透明容器の外側に配置された
輻射熱源から発する輻射光を用いて該透明容器内の被加
熱領域に載置された半導体単結晶基板を加熱処理する装
置であり、該輻射熱源と該半導体単結晶基板の間に設け
られ、該半導体単結晶基板を支持する支持台が、該輻射
熱源から発せられる輻射光を透過する材料からなるとと
もに、グラファイトよりも高い熱伝導性を有することを
特徴とする。
【００１３】前記輻射光を透過する材料としては炭化珪
素が好適に用いられる。即ち、前記支持台の材料は炭化
珪素が好適であり、特に遊離珪素及び遊離炭素の割合が
合わせて２ｗｔ％以下の炭化珪素によって形成されるの
が好ましいが、その割合が１ｗｔ％以下の炭化珪素によ
って形成されるのがさらに好ましい。
【００１４】該支持台の材料としては、遊離珪素及び遊
離炭素の総量が０ｗｔ％、即ち理想的に純粋な炭化珪素
を使用することが当然最も好ましい。この遊離珪素と遊
離炭素の割合が合わせて２ｗｔ％を越えると、輻射光の
透過性が急激に悪化し始めるので、本発明の効果が充分
に達成されなくなる。
【００１５】該支持台の形状については、特別の限定は
ないが、円環状などの環状とするのが好ましい。その他
に、円板形状なども用いられるが、加熱する半導体単結
晶基板の形状と数に合わせて円錐形、台形などとするこ
とも可能である。
【００１６】本発明の加熱装置は、半導体単結晶基板の
熱処理を行なうために用いられるが、特に窒素ガスを導
入して珪素半導体単結晶の抵抗率調整のための熱処理、
酸素ガスを導入して珪素半導体単結晶の酸化熱処理、水
素ガスを導入して珪素半導体単結晶の表面改質熱処理及
び珪素原料を含むガスを導入して珪素単結晶薄膜を気相
成長させるための処理に対して好適に用いられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の加熱装置の一つ
の実施の形態を図１に基づいて説明する。
【００１８】図１は、本発明に係る加熱装置１０の一つ
の実施の形態を示す概略断面説明図である。該加熱装置
１０は、半導体結晶基板、例えば珪素単結晶基板１２を
加熱処理する場合に用いられる。該加熱装置１０は、透
明石英ガラスからなる透明容器１３の外側に設置された
輻射熱源、例えば赤外線ランプ等の輻射加熱ランプ１６
を具備し、透明容器１３の透明壁を通して内部を輻射加
熱する。該透明容器１３内の被加熱領域には珪素単結晶
基板１２が支持台１１上に載置される。
【００１９】なお、図１において、１４は透明容器１３
のガス導入側に設けられたガス導入口、１５は透明容器
１３のガス排出側に設けられた排気口である。１７は、
支持台１１の下面に設けられた回転軸で、該基板支持台
１１は該回転軸１７を介して自転する。
【００２０】上記した加熱装置１０を用い、ガス導入口
１４から窒素ガスを導入して加熱処理すれば珪素半導体
単結晶の抵抗率調整のための熱処理、酸素ガスなどを導
入すれば珪素半導体単結晶の酸化熱処理、水素ガスを導
入すれば珪素半導体単結晶の表面改質熱処理をそれぞれ
行なうことができ、珪素を含む反応性ガスを導入すれば
珪素半導体単結晶の表面に単結晶薄膜を成長させること
ができる。
【００２１】図１に示した実施の形態では、支持台１１
としては、板状体の例を示したが、図２に示すように中
央部に中空部１１ａを形成した円環状の支持台１１を用
いることもできる。
【００２２】該支持台１１の材料としては、輻射熱源１
６から発せられる輻射光を透過する材料が用いられる。
該輻射光を透過する材料としては炭化珪素ＳｉＣが好適
であり、特に遊離珪素Ｓｉ及び遊離炭素Ｃの割合が合わ
せて２ｗｔ％以下の炭化珪素ＳｉＣが好ましいが、その
割合が１ｗｔ％以下の炭化珪素ＳｉＣがさらに好まし
い。
【００２３】該支持台１１の材料としては、遊離珪素Ｓ
ｉ及び遊離炭素Ｃの総量が０ｗｔ％、即ち理想的に純粋
な炭化珪素ＳｉＣを使用することが当然最も好ましい。
この遊離珪素Ｓｉと遊離炭素Ｃの割合が合わせて２ｗｔ
％を越えると、輻射光の透過性が急激に悪化し始めるの
で、本発明の効果が充分に達成されなくなる。
【００２４】従来使用されている炭化珪素は単体でも黒
く不透明であるが、気相熱分解法により形成した高純度
であって組成が化学量論的組成を有する炭化珪素は本来
透明であり、１ｍｍ程度の厚さでは淡い黄色であり、輻
射加熱に多用されている赤外線ランプから発する輻射
光、即ち１μｍ付近を主体とする波長（図７）の光の殆
どを透過する性質がある。
【００２５】また、炭化珪素の熱伝導率は６５Ｗ／ｍ・
Ｋであり、グラファイトよりも高い熱伝導性を有するの
で、支持台が接する基板の外周部においても温度の均一
性が維持できる。尚、化学量論的組成を有する炭化珪素
とは、化学式と同じ組成の炭素と珪素から構成された炭
化珪素のことであり、炭化珪素が本来有する高熱伝導率
の性質は損なわれない。
【００２６】
【実施例】以下に本発明装置の具体的使用について実施
例をあげて説明する。
【００２７】実施例１ 本実施例においては図２に示した形状の加熱装置１０を
用いた。該加熱装置１０の支持台１１としては、気相熱
分解法により作製された炭化珪素であり、外径３１０ｍ
ｍ、内径２９０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円環状に構成された
ものを用いた。
【００２８】この支持台１１は淡い黄色の半透明であ
り、遊離珪素が混入していないことはＸ線回折パターン
（図３）において炭化珪素以外の回折ピークが認められ
ないことにより確認し、遊離炭素がないことはラマン散
乱（図４）においてやはり炭化珪素以外のスペクトルが
観察されないことにより確認した。
【００２９】この支持台１１の光吸収スペクトルを図５
に示すが、赤外線ランプ１６の発する光ピーク波長は図
７のように１．５μｍ以下が中心であるのに対して、図
５のように該炭化珪素は１．５μｍ付近以下でも５０％
程度の透過率を有することから、赤外線ランプから発し
た輻射光を透過する効果を有していることを確認した。
一方、従来より支持台に用いられているグラファイトの
場合、ピーク波長が１．５μｍ付近の光の透過率は０で
ある。
【００３０】図２に示した加熱装置１０の透明容器１３
内に直径３００ｍｍ、ｐ型で面方位（１００）の主表面
を有する珪素単結晶基板１２を導入し、前記支持台１１
上に載置した。該支持台１１は、珪素単結晶基板１２が
載置されると加熱処理が終了するまでの間、回転軸１７
を中心に自転する。
【００３１】珪素単結晶基板１２の中心と外周に熱電対
を取付けて前記炭化珪素からなる支持台１１上に置き、
透明容器１３内にガス導入口から窒素ガスを流しなが
ら、赤外線ランプ１６を点灯させて２分間で前記珪素単
結晶基板１２を１０００℃に昇温した後に１時間保持
し、赤外線ランプを消灯して室温まで降温した。
【００３２】この時に熱電対から出力された温度を図６
に実線で示した。珪素単結晶基板１２の外周の熱電対は
支持台１１上に位置し、珪素単結晶基板１２の中心の熱
電対は支持台１１の中空部１１ａに位置し、赤外線ラン
プ１６からの輻射を上下から直接に受けることができ
る。
【００３３】比較のためにグラファイトからなる同一形
状の支持台を用いた以外は図２に示した加熱装置１０と
同一構成の加熱装置を用いて珪素単結晶基板を同様に加
熱処理した場合の熱電対から出力された温度を図６に破
線で示した。
【００３４】炭化珪素の場合には、赤外線ランプ１６が
発する輻射光を５０％程度透過するので、下側の赤外線
ランプ１６から前記炭化珪素製支持台１１に届いた輻射
光のうち約５０％が珪素単結晶基板１２に直接に到達す
る。珪素単結晶基板１２の温度は供給される光エネルギ
ーの１／４乗に比例するため、５０％の光透過度による
加熱能力は１００％透過する場合の０．８４倍であるも
のの、図６の実線のように、珪素単結晶基板１２の中心
と外周には昇温時における実質的な温度のずれは認めら
れなかった。
【００３５】一方、グラファイト製支持台を用いた場合
には、珪素単結晶基板１２の外周の温度の上昇速度は珪
素単結晶基板１２の中心の上昇速度より遅く、グラファ
イト製支持台が輻射光を一旦吸収した後に珪素単結晶基
板１２に熱伝導により熱を伝えている様子が明らかであ
る。
【００３６】ここにおいて、グラファイト製支持台を用
いて加熱処理した珪素単結晶基板１２には外周端と少々
内側においてスリップ転位が観察されたが、本発明の炭
化珪素製支持台を用いて加熱した珪素単結晶基板１２に
はスリップ転位は全く観察されなかった。なお、スリッ
プの確認は目視とＸ線トポグラフィ法で行った。
【００３７】実施例２ 実施例１に使用した加熱装置１０内に直径３００ｍｍ、
ｐ型で面方位（１００）の主表面を有する珪素単結晶基
板１２を導入し、前記支持台１１上に載置した。
【００３８】赤外線ランプ１６を点灯させて２分間で前
記珪素単結晶基板１２を１０００℃に昇温した後に窒素
ガス中、酸素ガス中または水素ガス中で１時間保持し、
赤外線ランプを消灯して室温まで降温した。珪素単結晶
基板１２を取り出した後に珪素単結晶基板１２を観察し
たところ、加熱雰囲気が窒素ガス、酸素ガス、水素ガス
のいずれの場合にもスリップ転位は全く観察されなかっ
た。
【００３９】実施例３ 実施例１に使用した加熱装置１０内に直径３００ｍｍ、
ｐ型で面方位（１００）の主表面を有する珪素単結晶基
板１２を導入し、前記支持台１１上に載置した。
【００４０】ガス導入口から水素ガスを１００リットル
／分で流しながら赤外線ランプ１６を点灯させて３０秒
間で前記珪素単結晶基板１２を８００℃から１０００℃
に昇温した後に、更に反応容器１３内にトリクロロシラ
ンを１３グラム／分で流しながら１分間保持し、赤外線
ランプを消灯して室温まで降温した。珪素単結晶基板１
２上に珪素単結晶薄膜が約１μｍ形成されている珪素単
結晶基板１２を観察したところ、短時間で昇温させたに
もかかわらず、スリップ転位は全く観察されなかった。
グラファイト製の支持台を用いた従来の装置では、スリ
ップ転位の発生を抑制するために、珪素単結晶基板１２
を８００℃から１０００℃まで約２分間かけて昇温させ
ていた。
【００４１】このように、本発明の加熱装置を用いるこ
とにより、輻射熱源から発せられる輻射光は支持台を透
過するので半導体単結晶基板に到達して半導体結晶基板
を内周外周共に実質的に一様に昇温させ、支持台の接触
部においては半導体単結晶基板内に意図せずに形成され
た温度差を炭化珪素が有する高い熱伝導率によって解消
させることができる。
【００４２】本発明の加熱装置は、赤外線ランプ等の輻
射加熱ランプから発する赤外光を使用した加熱を行なう
ものであり、上記実施例においては珪素半導体単結晶を
中心に説明したが、半導体多結晶基板や砒化ガリウムな
どの化合物半導体などを輻射加熱する場合にも有用であ
ることは明らかである。
【００４３】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明の加熱装置に
よれば、大口径の半導体単結晶基板を輻射光を用いて加
熱するに際してスリップ転位を生じさせることなく素早
く昇温できるので、高品質の半導体結晶を高い処理能力
により生産することができるという極めて大きな効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置の一つの実施の形態を示す概
略断面説明図である。
【図２】本発明の加熱装置の他の実施の形態を示す概略
断面説明図である。
【図３】実施例１で使用した支持台のＸ線回折パターン
を示すグラフである。
【図４】実施例１で使用した支持台のラマン散乱スペク
トルを示すグラフである。
【図５】実施例１で使用した支持台の光吸収スペクトル
を示すグラフである。
【図６】炭化珪素製及びグラファイト製支持台上に載置
された珪素単結晶基板の中心部と外周部の温度変化を時
間の経過にしたがって示したグラフである。
【図７】赤外線ランプの発する光の波長と相対強度の関
係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 加熱装置，１１ 支持台，１２ 半導体単結晶基
板，１３ 透明容器，１４ ガス導入口，１５ 排気
口，１６ 輻射熱源，１７ 回転軸

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明容器の外側に配置された輻射熱源か
    ら発する輻射光を用いて該透明容器内の被加熱領域に載
    置された半導体単結晶基板を加熱処理する装置であり、
    該輻射熱源と該半導体単結晶基板の間に設けられ、該半
    導体単結晶基板を支持する支持台が、該輻射熱源から発
    せられる輻射光を透過する材料からなるとともに、グラ
    ファイトよりも高い熱伝導性を有することを特徴とする
    加熱装置。
  2. 【請求項２】 前記支持台が、遊離珪素及び遊離炭素の
    割合が合わせて２ｗｔ％以下の炭化珪素によって形成さ
    れることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
  3. 【請求項３】 前記支持台が、環状であることを特徴と
    する請求項１または２記載の加熱装置。
  4. 【請求項４】 前記加熱装置が、窒素ガスを導入して珪
    素半導体単結晶の抵抗率調整のための熱処理を行うため
    に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
    １項記載の加熱装置。
  5. 【請求項５】 前記加熱装置が、酸素ガスを導入して珪
    素半導体単結晶の酸化熱処理を行うために用いられるこ
    とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の加熱
    装置。
  6. 【請求項６】 前記加熱装置が、水素ガスを導入して珪
    素半導体単結晶の表面改質熱処理を行うために用いられ
    ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の
    加熱装置。
  7. 【請求項７】 前記加熱装置が、珪素原料を含むガスを
    導入して珪素単結晶薄膜を気相成長させるために用いら
    れることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載
    の加熱装置。
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