KR19980080428A - 가열장치 - Google Patents

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KR19980080428A
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하부카히토시
오쓰카도루
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와다다다시
신에츠한도타이가부시키가이샤
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Abstract

단시간에 승온시킬 수 있는 동시에, 반도체 단결정기판 및 이것을 기초로 제조되는 반도체 결정박막 등에 발생하는 슬립 결함 등의 발생을 억제할 수 있으며, 특히 이후의 대구경 반도체 단결정기판의 가열에 따른 공정에 매우 유용한 가열장치를 제공한다.
투명용기의 바깥쪽에 배치된 복사열원으로부터 발생하는 복사광을 이용하여 상기 투명용기 내의 피가열영역에 얹어진 반도체 결정기판을 가열처리하는 장치이며, 상기 복사열원과 이 반도체 단결정기판과의 사이에서 설치되고, 이 반도체 단결정기판을 지지하는 지지대가, 상기 복사열원에서 발생되는 복사광을 투과하는 재료로 이루어짐과 동시에, 그라파이트보다 높은 열전도성을 가진다.

Description

가열장치
본 발명은, 복사열원에서 발생하는 복사광(輻射光)을 이용하여 반도체 단결정기판을 가열처리하기 위한 가열장치에 관한 것이다.
반도체 단결정을 가열처리하는 기술의 하나로서, 규소 단결정기판 상에 규소 단결정박막을 1000℃∼1200℃의 온도범위로 기상 성장시키기 위해서는, 예컨대 일본국 특개소 50-8473 호 공보에 기재된 바와 같은 기상성장장치를 이용한다. 이 기상성장장치에 있어서는, 우선 그 반응용기 내에 배치된 그라파이트제의 지지대에, 규소 단결정기판을 그 이면(裏面) 전체를 접촉시켜 얹어 놓는다. 상기 그라파이트제의 지지대는 열용량이 크므로, 적외선 램프로부터 복사된 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있다.
다음에, 적외선 램프로부터 특정한 파장의 에너지를 복사하면, 이 특정한 파장의 에너지를 흡수하여 상기 지지대가 가열된다. 그 결과 이 지지대에 얹어진 규소 단결정기판은, 적외선 램프에 의해 주표면이 가열됨과 동시에 지지대에 의해 이면이 가열되므로, 규소 단결정기판 속의 열구배가 작아져, 슬립전위의 발생이 억제된다. 슬립전위는 열처리 때에 존재하는 응력에 의해 발생하며, 열응력에 기인한 것과 굽힘응력에 기인한 것이 있다. 결국 규소 단결정기판을 균일하게 가열함으로써 열구배를 작게 하면, 열응력에 기인한 슬립전위를 억제할 수 있다.
근년에, 규소 단결정기판의 직경은 전자공업기술의 발달과 함께 커져서, 가까운 장래에 300mm의 직경을 가진 규소 반도체 단결정기판이 사용되기 시작하고, 그 후에는 직경이 400mm로 될 것이라고 예상되고 있다.
규소 단결정기판의 직경이 커짐에 따라, 기상성장장치는 한번에 복수의 기판을 처리할 수 있는 배치식으로부터, 한번에 한 장의 기판만을 처리하는 매엽식으로 변해 오고 있다.
그러나, 매엽식의 장치에서 열용량이 큰 그라파이트제의 지지대를 사용할 경우, 적외선 램프로부터 복사광을 조사하여 상기 지지대를 1000℃ 이상의 온도까지 승온시키는 데 요하는 시간이 길기 때문에, 열처리공정 전체의 시간이 길어져, 매엽식 장치의 처리능력에 한계가 생기고 있다.
그리하여, 규소 단결정기판의 바깥둘레부를 둥근 고리형태로 지지하는 수단이 제안되었다. 이 둥근 고리형태의 지지대는 그 용적이 적으므로, 이 둥근 고리형태의 지지대를 승온시키는 시간을 대폭 단축시킬 수 있다.
그런데, 그라파이트제의 둥근 고리형태의 지지대로 규소 단결정기판을 유지하여 1000℃ 이상의 온도까지 승온시키면 슬립전위가 발생한다. 슬립전위는 규소 단결정기판의 직경이 큰 만큼 발생하기 쉽다.
그라파이트제의 둥근 고리형태의 지지대를 사용하면 슬립전위가 발생하기 쉬운 이유에 대해 연구한 바, 규소 단결정기판에 있어서, 상기 둥근 고리형태의 지지대에 접촉하는 바깥둘레부에서는 복사광의 에너지가 지지대를 가열하기 위해 사용되지만, 상기 둥근 고리형태의 지지대에 접촉하지 않는 규소 단결정기판의 안둘레부에서는 복사광이 상기 규소 단결정기판을 직접 가열하기 때문에, 바깥둘레부보다도 빨리 승온하므로, 규소 단결정기판의 바깥둘레부와 안둘레부와의 사이에 큰 온도차가 발생하고, 열응력이 발생하는 것이 명확해 졌다.
그리하여, 그라파이트 대신에 석영제 글래스를 지지대의 재료로서 이용하면, 복사광의 차단에 의한 온도차의 발생을 방지할 수 있는 열전도율이 10W/m·K (와트/미터·켈빈) 이하로서, 그라파이트의 45W/m·K에 비하여 작기 때문에, 규소 단결정기판의 바깥둘레부에 있어서 온도를 균일화하는 효과가 부족하여, 결과적으로 슬립전위의 발생을 충분히 방지할 수 없다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 단시간에 승온시킬 수 있는 동시에, 반도체 단결정기판 및 이것을 기초로 제조되는 반도체 결정박막 등에 발생하는 슬립전위등의 결함 발생을 억제할 수 있으며, 특히 이후의 대구경 반도체 단결정기판의 가열에 따른 공정에서 매우 유용한 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 가열장치의 하나의 실시형태를 나타낸 개략 단면설명도,
도 2는 본 발명의 가열장치의 다른 실시형태를 나타낸 개략 단면설명도,
도 3은 실시예 1에서 사용한 지지대의 X선 회절패턴을 나타낸 그래프,
도 4는 실시예 1에서 사용한 지지대의 라먼 산란 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 5는 실시예 1에서 사용한 지지대의 빛 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 6은 탄화규소제 및 그라파이트제의 지지대 상에 얹어진 규소 단결정기판의 중심부와 바깥둘레부의 온도변화를 시간의 경과에 따라 나타낸 그래프,
도 7은 적외선 램프에서 발생하는 빛의 파장과 상대 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 가열장치 11 : 지지대
12 : 반도체 단결정기판 13 : 투명용기
14 : 가스도입구 15 : 배기구
16 : 복사열원 17 : 회전축
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 가열장치는, 투명용기의 바깥쪽에 배치된 복사열원으로부터 발생되는 복사광을 이용하여 상기 투명용기 내의 피가열영역에 얹어진 반도체 단결정기판을 가열처리하는 장치로서, 상기 복사열원과 해당 반도체 단결정기판의 사이에 설치되고, 이 반도체 단결정기판을 지지하는 지지대가, 상기 복사열원에서 발생하는 복사광을 투과하는 재료로 이루어짐과 동시에, 그라파이트보다 높은 열전도성을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 복사광을 투과하는 재료로서는 탄화규소가 적절히 사용된다. 즉 상기 지지대의 재료는 탄화규소가 적당하고, 특히 유리규소 및 유리탄소의 비율이 합쳐서 2wt% 이하의 탄화규소에 의해 형성되는 것이 바람직하지만, 그 비율이 1wt% 이하의 탄화규소에 의해 형성되는 것이 보다 바람직하다.
이 지지대의 재료로서는, 유리규소 및 유리탄소의 총량이 0wt%, 즉 이상적으로 순수한 탄화규소를 사용하는 것이 물론 가장 바람직하다. 이 유리규소와 유리탄소의 비율이 합쳐서 2wt%를 넘으면, 복사광의 투과성이 급격히 악화하기 시작하므로, 본 발명의 효과가 충분히 달성되지 않게 된다.
이 지지대의 형상에 대하여는, 특별한 한정은 없지만, 둥근 고리형태 등의 둥근 형상으로 하는 것이 바람직하다. 그 외에 원판형상 등도 사용되는데, 가열하는 반도체 단결정기판의 형상과 수에 맞추어 원추형, 사다리꼴 등으로 하는 것도 가능하다.
본 발명의 가열장치는, 반도체 단결정기판의 열처리를 하기 위해 사용되는데, 특히 질소가스를 도입하여 규소반도체 단결정의 저항율 조정을 위한 열처리, 산소가스를 도입하여 규소 반도체 단결정의 산화열처리, 수소가스를 도입하여 규소 반도체 단결정의 표면개질 열처리 및 규소원료를 포함하는 가스를 도입하여 규소 단결정 박막을 기상성장시키기 위한 처리에 대하여 적절하게 이용된다.
(실시형태)
이하, 본 발명의 가열장치의 하나의 실시형태를 도 1에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가열장치(10)의 하나의 실시형태를 나타낸 개략 단면 설명도이다. 이 가열장치(10)는 반도체 결정기판, 예컨대 규소 단결정기판(12)을 가열처리하는 경우에 사용된다. 이 가열장치(10)는 투명한 석영 글래스로 된 투명용기(13)의 바깥쪽에 설치된 복사열원, 예컨대 적외선 램프 등의 복사 가열램프(16)를 구비하여, 투명용기(13)의 투명벽을 통하여 내부를 복사가열한다. 이 투명용기(13) 내의 피가열영역에는 규소 단결정기판(12)이 지지대(11) 상에 얹어진다.
또한, 도 1에 있어서, (14)는 투명용기(13)의 가스 도입쪽에 형성된 가스도입구, (15)는 투명용기(13)의 가스 배출쪽에 형성된 배기구이다. (17)은 지지대(11)의 아래면에 설치된 회전축으로서, 상기 기판지지대(11)는 이 회전축(17)을 통해 자전한다.
상기한 가열장치(10)를 이용하여, 가스도입구(14)로부터 질소가스를 도입하여 가열처리하면 규소반도체 단결정의 저항율 조정을 위한 열처리, 산소가스 등을 도입하면 규소 반도체 단결정의 산화열처리, 수소가스를 도입하면 규소 반도체 단결정의 표면개질 열처리를 각각 행할 수 있고, 규소를 포함한 반응성 가스를 도입하면 규소 반도체 단결정의 표면에 단결정 박막을 성장시킬 수 있다.
도 1에 나타낸 실시형태에서, 지지대(11)로서는, 기판형상체의 예를 나타내었으나, 도 2에 나타낸 바와 같이 중앙부에 중공부(11a)를 형성한 둥근 고리형태의 지지대(11)를 사용한 것도 가능하다.
상기 지지대(11)의 재료로서는, 복사열원(16)으로부터 발생하는 복사광을 투과하는 재료가 사용된다. 이 복사광을 투과하는 재료로서는 탄화규소(SiC)가 적당하고, 특히 유리규소(Si) 및 유리탄소(C)의 비율이 합쳐 2wt% 이하인 탄화규소(SiC)가 바람직하며, 그 비율이 1wt% 이하인 탄화규소(SiC)가 보다 바람직하다.
상기 지지대(11)의 재료로서는, 유리규소(Si) 및 유리탄소(C)의 총량이 0wt%, 즉 이상적으로 순수한 탄화규소(SiC)를 사용하는 것이 물론 가장 바람직하다. 이 유리규소(Si)와 유리탄소(C)의 비율이 합쳐서 2wt%를 넘으면, 복사광의 투과성이 급격히 악화하기 시작하므로, 본 발명의 효과가 충분히 달성되지 않게 된다.
종래에 사용되고 있는 탄화규소는 단체이더라도 검고 불투명하지만, 기상 열분해법에 의해 형성한 고순도로서 조성이 화학량론적 조성을 가진 탄화규소는 본래 투명하며, 1mm정도의 두께에서는 엷은 노란색이고, 복사가열에 많이 사용되는 적외선 램프에서 발생하는 복사광, 즉 1㎛ 부근을 주체로 하는 파장(도 7)의 빛의 대부분을 투과하는 성질이 있다.
또한, 탄화규소의 열전도율은 65W/m·K이고, 그라파이트보다도 높은 열전도성을 가지므로, 지지대가 접하는 기판의 바깥둘레부에서도 온도의 균일성을 유지할 수 있다. 한편 화학량론적 조성을 가진 탄화규소란, 화학식과 같은 조성의 탄소와 규소로써 구성된 탄화규소이며, 탄화규소가 원래 가진 고열전도율의 성질은 손상되지 않는다.
(실시예)
이하, 본 발명장치의 구체적 사용에 대하여 실시예를 들어 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에 있어서는, 도 2에 나타낸 형태의 가열장치(10)를 사용하였다. 이 가열장치(10)의 지지대(11)로서는, 기상 열분해법에 의해 제작된 탄화규소로서, 바깥직경 310mm, 안직경 290mm, 두께 1mm인 둥근 고리형태로 구성된 것을 사용하였다.
상기 지지대(11)는 엷은 노란색의 반투명이며, 유리 규소가 혼입되어 있지 않는 것은 X선 회절패턴(도 3)에 있어서 탄화규소 이외의 회절피크가 인정되지 않음으로써 확인되고, 유리탄소가 없는 것은 라먼산란(도 4)에 있어서 역시 탄화규소 이외의 스펙트럼이 관찰되지 않음으로써 확인하였다.
상기 지지대(11)의 빛 흡수 스펙트럼을 도 5에 나타내었는데, 적외선 램프(16)에서 발생하는 빛 피크파장은 도 7에서와 같이 1. 5μm 이하가 중심인 데 대하여, 도 5에서와 같이 상기 탄화규소는 1.5μm 부근 이하라도 50% 정도의 투과율을 가지는 것이므로, 적외선 램프에서 발생한 복사광을 투과하는 효과를 가지고 있다는 것을 확인하였다. 한편 종래에 지지대로서 사용되고 있는 그라파이트의 경우, 피크파장이 1.5μm 부근의 빛 투과율은 0이다.
도 2에 나타낸 가열장치(10)의 투명용기(13) 내에 직경 300mm, p형이며 면방위(100)의 주표면을 가진 규소 단결정기판(12)을 도입하여, 상기 지지대(11) 상에 얹어 두었다. 이 지지대(11)는 규소 단결정기판(12)이 얹어지면 가열처리가 종료할 때 까지의 사이에, 회전축(17)을 중심으로 자전한다.
규소 단결정기판(12)의 중심과 바깥둘레에 열전쌍을 부착하여 상기 탄화규소로 이루어지는 지지대(11) 상에 두고, 투명용기(13) 내로 가스도입구로부터 질소가스를 흐르게 하면서, 적외선 램프(16)를 점등시켜 2분간 상기 규소 단결정기판(12)을 1000℃로 승온시킨 후에 1시간 유지하고, 적외선 램프를 소등하여 실온까지 온도를 하강시켰다.
이 때, 열전쌍으로부터 출력된 온도를 도 6에 실선으로 나타내었다. 규소 단결정기판(12) 바깥둘레의 열전쌍은 지지대(11) 상에 위치하고, 규소 단결정기판(12) 중심의 열전쌍은 지지대(11)의 중공부(11a)에 위치하며, 적외선 램프(16)로부터의 복사를 상하로부터 직접 받을 수 있다.
비교를 위해 그라파이트로 이루어진 동일한 형태의 지지대를 사용한 것 이외에는 도 2에 나타낸 가열장치(10)와 동일한 구성의 가열장치를 사용하여 규소 단결정기판을 마찬가지로 가열처리한 경우의 열전쌍으로부터 출력된 온도를 도 6에 파선으로 나타내었다.
탄화규소의 경우에는, 적외선 램프(16)에서 발생하는 복사광을 50%정도 투과하므로, 아래쪽의 적외선 램프(16)로부터 상기 탄화규소 지지대(11)에 도달하는 복사광 중 약 50%가 규소 단결정기판(12)에 직접 도달한다. 규소 단결정기판(12)의 온도는 공급되는 빛 에너지의 1/4승에 비례하기 때문에, 50%의 광투과도에 의한 가열능력은 100% 투과할 경우의 0.84배이며, 도 6의 실선과 같이 규소 단결정기판(12)의 중심과 바깥둘레에는 승온시에 있어서 실질적인 온도의 어긋남은 인정되지 않았다.
한편, 그라파이트제의 지지대를 이용한 경우에는, 규소 단결정기판(12)의 바깥둘레의 온도의 상승속도는 규소 단결정기판(12) 중심의 상승속도보다 느리고, 그라파이트제의 지지대가 복사광을 일단 흡수한 후에 규소 단결정기판(12)으로 열전도에 의해 열을 전달하고 있는 상태임이 분명하다.
여기에서, 그라파이트제의 지지대를 사용하여 가열처리한 규소 단결정기판(12)에는 바깥둘레 끝단과 약간 안쪽에서 슬립전위가 관찰되었으나, 본 발명의 탄화규소제의 지지대를 사용하여 가열한 규소 단결정기판(12)에는 슬립전위는 전혀 관찰되지 않았다. 또 슬립의 확인은 눈으로 관찰하는 것과 X선 토포그라피법으로 행하였다.
(실시예 2)
실시예 1에 사용한 가열장치(10) 내에 직경 300mm, p형이며 면방위(100)의 주표면을 가진 규소 단결정기판(12)을 도입하여, 상기 지지대(11) 상에 얹어 놓는다.
적외선 램프(16)를 점등시켜서 2분간 동안 상기 규소 단결정기판(12)을 1000℃로 승온시킨 후에 질소가스중, 산소가스중 또는 수소가스중에서 1시간 유지하고, 적외선 램프를 소등시켜 실온까지 온도를 하강시켰다. 규소 단결정기판(12)을 꺼낸 후에 규소 단결정기판(12)을 관찰한 바, 가열 대기압이 질소가스, 산소가스, 수소가스의 어느 경우에도 슬립전위는 전혀 관찰되지 않았다.
(실시예 3)
실시예 1에 사용한 가열장치(10) 내에 직경 300mm, p형이며 면방위(100)의 주표면을 가진 규소 단결정기판(12)을 도입하여, 상기 지지대(11) 상에 얹어 놓는다.
가스도입구로부터 수소가스를 100리터/분으로 흐르게 하면서 적외선 램프(16)를 점등시켜 30초간 상기 규소 단결정기판(12)을 800℃에서 1000℃로 승온시킨 후에, 또 반응용기(13) 내로 트리클로로실란을 13그램/분으로 흐르게 하면서 1분간 유지하고, 적외선 램프를 소등시켜 실온까지 온도를 하강시켰다. 규소 단결정기판(12) 상에 규소 단결정 박막이 약 1μm 형성되어 있는 규소 단결정기판(12)을 관찰한 바, 단시간에 승온시켰음에도 불구하고, 슬립전위는 전혀 관찰되지 않았다. 그라파이트제의 지지대를 사용한 종래의 장치에서는, 슬립전위의 발생을 억제하기 위해서, 규소 단결정기판(12)을 800℃에서 1000℃까지 약 2분간에 걸쳐 승온시키고 있다.
이와 같이, 본 발명의 가열장치를 이용함으로써, 복사열원에서 발생하는 복사광은 지지대를 투과하므로, 반도체 단결정기판에 도달하여 반도체 결정기판을 바깥둘레 안둘레를 함께 실질적으로 일정하게 승온시켜, 지지대의 접촉부에서는 반도체 단결정기판 내에 의도되지 않고 형성된 온도차를 탄화규소가 가진 높은 열전도율에 의해 해소시킬 수 있다.
본 발명의 가열장치는, 적외선 램프 등의 복사가열 램프에서 발생하는 적외광을 사용한 가열을 행하는 것이며, 상기 실시예에 있어서는 규소 반도체 단결정을 중심으로 설명하였으나, 반도체 다결정기판이나 비소화 갈륨 등의 화합물 반도체 등을 복사 가열하는 경우에도 유용하다는 것이 명백하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 가열장치에 의하면, 대구경의 반도체 단결정기판을 복사광을 이용하여 가열할 때에 슬립전위를 생기게 하는 일없이 신속히 승온시킬 수 있으므로, 고품질의 반도체결정을 높은 처리능력에 의해 생산할 수 있는 매우 큰 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 투명용기의 바깥쪽에 배치된 복사열원에서 발생하는 복사광을 이용하여 상기 투명용기 내의 피가열영역에 얹어진 반도체 단결정기판을 가열처리하는 장치이며, 상기 복사열원과 상기 반도체 단결정기판의 사이에 설치되고, 상기 반도체 단결정기판을 지지하는 지지대가, 상기 복사열원에서 발생하는 복사광을 투과하는 재료로 이루어짐과 동시에, 그라파이트보다도 높은 열전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지대가, 유리규소 및 유리탄소의 비율이 합쳐서 2 wt% 이하의 탄화규소에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 지지대가, 고리 형상인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열장치가, 질소가스를 도입하여 규소 반도체 단결정의 저항율 조정을 위한 열처리를 행하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열장치가, 산소가스를 도입하여 규소 반도체 단결정의 산화열처리를 하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열장치가, 수소가스를 도입하여 규소 반도체 단결정의 표면개질 열처리를 행하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열장치가, 규소원료를 포함하는 가스를 도입하여 규소 단결정 박막을 기상성장시키기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가열장치.
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