WO2003107403A1 - 気相成長装置 - Google Patents

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vapor phase
holder
wafer holder
heat transfer
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清水　英一
牧野　修仁
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株式会社日鉱マテリアルズ
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    • Y10T117/1068—Seed pulling including heating or cooling details [e.g., shield configuration]

Definitions

  • the present invention relates to a vapor deposition apparatus for vapor-depositing a thin film of a compound semiconductor or the like on a wafer surface by supplying a raw material gas at a high temperature while heating the wafer, and more particularly to a vapor deposition apparatus for disposing a wafer.
  • C The characteristics of the material of the container. Background art
  • vapor phase epitaxy is used in various fields of industry. It is a matter of course that uniformity of the thickness, composition and doping concentration of the thin film grown on the wafer in vapor phase growth over the entire area is indispensable. As a means of achieving uniformity over the entire surface, uniformity of wafer heating is regarded as the most important elemental technology.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a configuration example of a general vapor phase growth apparatus.
  • the vapor phase growth apparatus 100 includes a reaction furnace 1, a wafer holder 3 on which a wafer 2 is placed, a susceptor 4 on which the wafer holder 3 is placed, and a heating device provided below the susceptor 4. It comprises a heater 5, a rotation mechanism 6 for rotatably supporting the wafer holder 3 and the susceptor 4, a gas introduction pipe 7 for supplying a raw material gas and a carrier gas, and a gas exhaust pipe 8 for exhausting unreacted gas.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing a detailed configuration of the machining holder 3, (a) is a top view, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA.
  • the wafer holder 3 is configured such that a plurality of circular pocket holes 3a (six in FIG. 2) for placing the wafer 2 on one surface thereof are formed on the same circumference, and the wafer holder 3 is in contact with the susceptor 4 on the opposite surface. Have been.
  • the susceptor 4 is made of a material having a high thermal conductivity (for example, molybdenum) in order to uniformly transfer the heat from the heater 5.
  • a material having a high thermal conductivity for example, molybdenum
  • graphite or molybdenum having high thermal conductivity is also used for the wafer holder 3.
  • the heater 5 heats the susceptor 4 from below to transfer heat to the wafer 2 via the susceptor 4 and the wafer holder 3. Then, the temperature of the wafer 2 is raised to a predetermined temperature. Further, by rotating the susceptor 4 at a predetermined number of revolutions by the rotating mechanism 6, vapor deposition of a thin film is performed while uniformly supplying the source gas and the carrier gas introduced from the gas introduction pipe 7 to the surface of the wafer 2.
  • the surface temperature of the wafer 2 is lower than the surface temperature of the wafer holder 3, so that the peripheral portion of the wafer 2 It was found that the temperature became higher than that of the central part of Ueno 2 due to the influence of.
  • the in-plane temperature distribution of the wafer 2 is not uniform, so that it is difficult to vapor-grow a thin film with excellent uniformity over the entire area of the wafer 2. Became clear.
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus capable of vapor phase growing a thin film having good uniformity over the entire surface of a wafer. And Disclosure of the invention
  • the present invention provides a reactor that can be sealed, a wafer container that is installed in the reactor and arranges a wafer at a predetermined position, a gas supply unit that supplies a source gas toward a wafer, A heating means for heating the wafer; and supplying the raw material gas into the reaction furnace at a high temperature while heating the wafer via the wafer container by the heating means in the reaction furnace.
  • the wafer container is made of a single material or member, and a heat transfer path from the back surface of the wafer container to the wafer surface is formed.
  • Thermal resistance R! And the ratio R 2 / R i of the heat resistance R 2 of the heat transfer path from the back surface of the wafer housing to the front surface of the wafer housing is 0.4 or more and 1.0 or less.
  • the thermal resistance R ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ in the heat transfer path from the back surface of the wafer holder 3 to the front surface of the wafer 2 is the thermal resistance R lc of the wafer holder 3 portion, This is the sum of the contact thermal resistance R ls between the wafer holder 3 and the wafer 2 and the thermal resistance R lw of the wafer 2 part.
  • the thermal resistance R 2 in the heat transfer path from the back surface to the front surface of the solder 3 is the thermal resistance R 2 ⁇ ;
  • the thermal resistance in each of the heat transfer paths is substantially equal, so that the same heat conduction is achieved.
  • the temperature reached on the wafer surface and the wafer container surface can be made the same. Therefore, it is possible to prevent the surface temperature of the peripheral portion of the wafer from becoming higher than the surface temperature of the central portion of the wafer due to the difference between the surface temperature of the wafer and the surface temperature of the wafer container, and to make the in-plane temperature distribution of the wafer uniform. Can be held. As a result, a thin film having good uniformity can be vapor-phase grown over the entire surface of the wafer.
  • the wafer container is formed of a material having a thermal conductivity close to the thermal conductivity of the wafer placed in the wafer container.
  • the wafer container may be manufactured using any material having a property not to contaminate the atmosphere in the reactor or the thin film growth.
  • amorphous carbon thermal conductivity: 1 OW / m ⁇ K
  • thermal conductivity: 40-50 W / m ⁇ K thermal conductivity: 40-50 W / m ⁇ K
  • conventional graphite (10 O WZm ⁇ K at 60 Since the thermal conductivity is closer to the wafer than 0 ° C), it is suitable as a material for forming the wafer accommodating section.
  • the wafer container is formed of a material having a thermal conductivity of 0.5 times or more and 2 times or less of the thermal conductivity of the wafer.
  • 7- mature resistance ratio without increasing the thickness of the wafer container! ⁇ ! Since ⁇ can be made closer to 1, the size of the mane can be prevented from increasing.
  • the thermal conductivity at 600 ° C is 14.3 WZm ⁇ K, so that the material with thermal conductivity of 7.15 to 28.6 ⁇ 1.
  • the wafer container may be formed of, for example, amorphous carbon.
  • the present inventors focused on the difference in heat transfer paths between the inside of the wafer 2 and the inside of the wafer holder 3 regarding the cause of the surface temperature of the wafer 2 being lower than the surface temperature of the wafer holder 3. That is, in general, the materials of the wafer 2 and the wafer holder 3 are different from each other, and the same heat transfer is not performed. W
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the thermal resistance of the wafer 2 and the wafer holder 3.
  • T up is the back surface temperature of wafer holder 3
  • T suri is the surface temperature of wafer 2 or wafer holder 3
  • T d is the surface assumed to be a predetermined distance away from the surface of wafer 2 and wafer holder 3. (Hereinafter, referred to as a virtual boundary surface).
  • heat is transferred to the front surface of the wafer 2 according to the heat transfer path 1 from the back surface of the wafer holder 3 to the virtual boundary surface through the wafer holder 3 and the wafer 2 to reach the virtual boundary surface.
  • the thermal resistance R i in the heat transfer path 1 is the thermal resistance R lc of the wafer holder 3 and the contact heat between the wafer holder 3 and the wafer 2.
  • a resistor R lg becomes resistance obtained by adding the thermal resistance R lw of Uweha 2 parts, the thermal resistance R 2 in the heat transfer path 2 becomes a thermal resistance R 2c of the wafer holder 3 parts.
  • the thermal resistance R is given by the following equation (1).
  • the wafer 2 (I n P, G a A s etc.) of the thermal conductivity k lw is wafer holder 3 (graphite, molybdenum, etc.) thermal conductivity L since significantly smaller than the lc 2c Bruno k lw of>
  • contact thermal resistance R lg occurs at the contact surface between wafer 2 and wafer holder 3, so that R 2 is clearly smaller than Ri.
  • Heat transfer is governed by the heat flux in the heat transfer path.
  • the heat flux is the amount of energy (heat flow) flowing through a unit area (unit: m 2 ), and is given by the following equation (5).
  • R u. tal , R 2t . l is represented by the following equation.
  • the surface temperature of the wafer 2 T lsul. R is derived may be lower than the surface temperature T 2sul. R of Wehahoru da 3.
  • the present inventors have studied how to reduce the difference in the surface temperature of the wafer 2 T lsul. R and wafer holder 3 of the surface temperature T 2Surf, the above equation (5) to (10), its Resolution It was noticed that R 2 should be equal to the thermal resistance in these heat transfer paths (ie, the thermal resistance ratio / approaches 1).
  • the present invention has been completed on the basis of the above findings.
  • the wafer holder 3 is formed of a single material or member in a vapor phase growth apparatus, heat generated from the backside of the wafer holder 3 toward the front surface of the wafer 2 is obtained.
  • the ratio of the R 2 R 2 / R is set to be 0.4 or more 1.0 or less; the thermal resistance R i and the wafer holder 3 thermal resistance of the heat transfer path toward the rear surface or et wafer holder 3 surface of the transmission path .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the vapor phase growth apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a detailed configuration of the wafer holder 3 made of a single material or member. It is an enlarged view, (a) is a top view, (b) is sectional drawing along the AA line.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the thermal resistance of the wafer 2 and the wafer holder 3 when the wafer holder 3 made of a single material or member is used.
  • FIG. 4 is a schematic analysis model diagram near the wafer 2 and the ⁇ -holder 3 of the vapor phase growth apparatus 100 according to the example.
  • FIG. 5 is an analysis result showing the temperature distribution inside the wafer holder when the a-carbon wafer holder is used as the embodiment.
  • FIG. 6 is an analysis result showing a temperature distribution of a wafer and a wafer holder when a wafer holder made of Graphite is used as a comparative example.
  • FIG. 7 is an analysis result showing the surface temperature distribution of the wafer 2 and the wafer holder 3 in the example.
  • FIG. 8 is an analysis result showing the surface temperature distribution of the wafer 2 and the wafer holder 3 in the comparative example.
  • MOC VD apparatus vapor phase growth apparatus
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the vapor phase growth apparatus of the present embodiment.
  • 2A and 2B are enlarged views showing a detailed configuration of the wafer holder 3 according to the present embodiment, wherein FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA.
  • the schematic configuration of the vapor phase growth apparatus of the first embodiment is the same as that of the vapor phase growth apparatus shown in the prior art, the material of the wafer holder 3 as the wafer container is changed in the prior art to the heat conduction of Daraphyte or the like. The difference is that the material having a high rate is replaced by amorphous carbon (hereinafter abbreviated as a-carbon) in this embodiment.
  • a-carbon amorphous carbon
  • the vapor-phase growth apparatus 100 includes a reaction furnace 1, a wafer holder 3 on which a wafer 2 is placed, a susceptor 4 on which the wafer holder 3 is mounted, and a heating device provided below the susceptor 4.
  • Each wall of the vapor phase growth apparatus 100 is made of, for example, stainless steel.
  • the gas introduction pipe 7 is provided at the center of the upper wall body, and is made of, for example, a group 13 (3B) raw material gas such as trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA1), or trimethylgallium (TMG). And a 15 (5B) group source gas such as arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ) and an inert gas such as hydrogen (H 2 ) as a carrier gas in a reactor.
  • a group 13 (3B) raw material gas such as trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA1), or trimethylgallium (TMG).
  • TMI trimethylindium
  • TMA1 trimethylaluminum
  • TMG trimethylgallium
  • a 15 (5B) group source gas such as arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ) and an inert gas such as hydrogen (H 2 ) as a carrier gas in a reactor.
  • the wafer holder 3 is made of a-carbon formed into a disk shape, and is mounted on the susceptor 4.
  • the wafer holder 3 has a plurality of (six in FIG. 2) circular pocket holes 3a for placing the wafer 2 on one side thereof on the same circumference.
  • the susceptor 4 is made of a material having a high thermal conductivity (for example, molybdenum) so as to evenly transfer the heat from the heater 5, and is rotatably supported by a rotating mechanism 6. Further, a heater 5 for heating the wafer 2 is arranged concentrically below the susceptor 4.
  • the thermal conductivity of the wafer holder 3 is made of a-carbon.
  • a-carbon having a thermal conductivity of 1 O WZm ⁇ K instead of the graphite having a thermal conductivity of 10 OW / m ⁇ K, the heat of the wafer 2 placed on the wafer holder 3 can be reduced.
  • the conductivity and the thermal conductivity of the wafer holder 3 are made close to each other. Since the thermal conductivity of the I nP wafer is 14.3 W / m ⁇ K, the thermal conductivity of a-carbon is about 0.7 times that of the a-carbon.
  • the thermal conductivity of a-carbon is close to the thermal conductivity of ⁇ -c 2
  • the surface of the wafer 2 is heated from the heater 5 via the susceptor 4 and the wafer holder 3. Since the thermal resistance in the heat transfer path toward the surface of the wafer holder 3 is equivalent, the surface of the wafer 2 and the surface of the wafer holder 3 reach almost the same temperature. Therefore, it is possible to avoid that the temperature at the peripheral portion of the wafer becomes higher than that at the central portion of the wafer due to the difference between the surface temperatures of the wafer 2 and the wafer holder 3, so that the in-plane temperature distribution of the wafer 2 tends to be uniform.
  • the gas exhaust pipe 8 is installed on the bottom of the reactor 1.
  • the raw material gas introduced into the reactor 1 from the inlet through the gas inlet pipe 7 is decomposed on the upstream side of the reactor and flows downstream. Then, a thin film is formed on the wafer 2, and the unreacted source gas is exhausted to the outside from the gas exhaust pipe 8 through the exhaust port together with the carrier gas.
  • water cooling jackets are provided on the outer periphery of the rotating mechanism 6 and on the outer wall of the lower wall of the reactor, and the temperature in the reactor 1 is controlled by the water cooling jacket and the heater 5. It has become.
  • the vapor phase epitaxy apparatus 100 having the above-described configuration, by heating from below the susceptor 4 by the heater 5, heat is transmitted to the wafer 2 via the susceptor 4 and the wafer holder 3, and the wafer 2 is heated. Raise to a predetermined temperature. Further, by rotating the susceptor 4 at a predetermined number of revolutions by the rotating mechanism 6, the source gas and the carrier gas introduced from the gas introduction pipe 7 are evenly supplied to the surface of the ⁇ : c 2 to vapor-grow the thin film. . At this time, since the temperatures of the surface of the wafer 2 and the surface of the wafer holder 3 are almost the same, the in-plane temperature distribution of the wafer 2 becomes uniform, and a thin film having excellent uniformity can be grown by vapor phase.
  • the wafer 2 and its vicinity were modeled in the vapor phase growth apparatus 100 described above, and the simulation was performed by three-dimensional heat conduction analysis by the finite volume method.
  • the wafer holder 3 made of a-carbon was used, and in the comparative example, the wafer holder 3 made of graphite was used.
  • FIG. 4 is a schematic analysis model diagram of the wafer 2 and the wafer holder 3 (10 mm from the outer periphery of the wafer) of the vapor phase growth apparatus 100.
  • the distance from the bottom surface of the wafer holder 3 to the wafer 2 was 2.3 mm.
  • the wafer 2 was an InP wafer having a thickness of 0.5 mm and an inner diameter of 50 mm (2 inches), and the inside of the reaction furnace 1 was in a hydrogen atmosphere.
  • the number of meshes at the time of analysis was about 600,000 meshes.
  • the contact thermal resistance between the wafer 2 and the wafer holder 3 The (R lg) and 2 0 x 1 0 one 4 m 2 KZW.. Note that the contact thermal resistance R lg is affected by the flatness between the contacting members, the surface roughness, and the thermal diffusion coefficient of the material, and can be made smaller by adjusting the distance between the contact surfaces. it can. Furthermore, as analysis conditions, a boundary condition of 45 ° C. was applied to a virtual boundary surface located 35 mm above the wafer 2 and a boundary condition of 65 ° C. was applied to the boundary surface (back surface) of the wafer holder 3. Since hydrogen has a low Prandtl number, thermal diffusion is superior to viscous diffusion, and the effect of advection can be neglected in the relatively low Reynolds number region of the laminar basin. In the analysis, it was roughly treated as a solid.
  • FIG. 5 is an analysis result showing the temperature distribution inside the wafer 2 and the wafer holder 3 when the a-carbon wafer holder 3 is used as an example
  • FIG. 6 is an analysis result of a comparative example. 5 and 6, the boundary between the wafer 2 and the wafer honoreda 3 is enlarged to clarify the analysis results.
  • FIG. 7 is an analysis result showing the surface temperature distribution of the wafer 2 and the wafer holder 3 in the example
  • FIG. 8 is an analysis result showing the surface temperature distribution of the wafer 2 and the wafer holder 3 in the comparative example. 7 and 8 show the surface temperature at a position in the radial direction with the center of the wafer being 0.
  • the thermal resistance ratio R 2 ZR was 0.554, whereas in the comparative example, the thermal resistance ratio l ⁇ ZR i was 0.091.
  • the wafer surface temperature is about 637.4 as shown in FIG. C, Zee While the holder surface temperature is about 639.0 ° C and the difference is about 1.6 ° C, in the comparative example, the wafer surface temperature is about 68.7 ° C as shown in Fig. 8. C, the wafer holder surface temperature was about 641.0 ° C, and the difference was about 2.3 ° C. In other words, the difference between the surface temperature of the peripheral portion (22 to 25 mm) of the Ueno 2 and the surface temperature of the central portion (near 0) is smaller in the embodiment, and the surface temperature distribution of the wafer 2 is uniform. It turned out to be improved.
  • the in-plane temperature distribution of the wafer 2 can be maintained uniformly. As a result, it can be said that it is suitable for vapor-phase growth of a thin film having good uniformity over the entire surface of the wafer 2.
  • the ratio / of the thermal resistance R 2 of the path is set to 0. 4 or more 1.0 or less, the heat resistance of each of the heat transfer path is equal. In other words, since heat is conducted according to the same heat flux, the temperature reached on the surface of the wafer or the wafer container can be equalized.
  • the vertical high-speed rotation type vapor phase growth apparatus which is mainly based on the invention made by the inventor, has been described.However, the present invention is not limited to this. For example, it can be used for a face-down type, a horizontal type, and a revolving type vapor phase growth apparatus.
  • the present invention is effective not only in the case of using an InP wafer but also in the case of growing a thin film on Si, GaAs, GaN, sapphire, glass, ceramic wafers and the like.
  • the material of the wafer holder 3 may be changed according to the type of wafer to be used.

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Abstract

　密閉可能な反応炉と、該反応炉内に設置され所定の位置にウェハを配置するためのウェハ収容部と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段と、前記ウェハを加熱するための加熱手段と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容部を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容部を単一の素材もしくは部材で構成する場合は、前記ウェハ収容部裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ1と前記ウェハ収容部裏面から前記ウェハ収容部表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗Ｒ2の比Ｒ2／Ｒ1が０．４以上１．０以下となるようにした。

Description

明細書 気相成長装置 技術分野
本発明は、 ウェハを加熱しながら高温状態で原料ガスを供給することにより ウェハ表面に化合物半導体等の薄膜を気相成長させるための気相成長装置に係り、 特に、 ウェハを配置するためのゥ ハ収容体の材質の特性に関する。 背景技術
現在、 気相成長法は産業界の様々な分野で利用されている。 気相成長において ウェハ上に成長した薄膜の膜厚、 組成およびドーピング濃度の面內全域の高均一 化はいうまでもなく必須項目である。 そして、 面内全域の均一化の実現手段とし て、 ウェハ加熱の均熱化は最も重要な要素技術とされている。
図 1は、 一般的な気相成長装置の構成例を示す断面図である。 図 1に示すよう に、 気相成長装置 1 0 0は、 反応炉 1と、 ウェハ 2を配置するウェハホルダ 3と、 ウェハホルダ 3を載置するサセプタ 4と、 サセプタ 4の下側に設けられた加熱 ヒータ 5と、 ゥェハホルダ 3およびサセプタ 4を回転自在に支持する回転機構 6 と、 原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管 7と、 未反応ガスを排気する ガス排気管 8等で構成される。
図 2はゥ工ハホルダ 3の詳細な構成を示す拡大図であり、 （ a ) は上面図で、 ( b ) は A— A線に沿った断面図である。 ウェハホルダ 3は、，その片面にウェハ 2を配置するための円形のポケット孔 3 aを同一円周上に複数個 （図 2では 6 個） 形成され、 反対面でサセプタ 4と接触するように構成されている。
なお、 サセプタ 4は加熱ヒータ 5からの熱を均一に伝達するために熱伝導率の 高い材質 （例えばモリブデン等） で構成される。 また、 ウェハホルダ 3にも熱伝 導率の高いグラフアイトやモリプデン等が用いられるのが一般的である。
上述の構成をした気相成長装置においては、 加熱ヒータ 5でサセプタ 4の下側 から加熱することによりサセプタ 4、 ゥヱハホルダ 3を介してウェハ 2に熱を伝 え、 ウェハ 2を所定の温度まで上昇させる。 また、 サセプタ 4を回転機構 6によ り所定の回転数で回転させることにより、 ガス導入管 7より導入した原料ガスや キヤリァガスをウェハ 2表面に均等に供給しながら薄膜の気相成長を行う。
しかしながら、 本発明者等の実験により、 上述したような気相成長装置 1 0 0 においては、 ウェハ 2の表面温度がウェハホルダ 3の表面温度より低くなるため、 ウェハ 2の周縁部分はゥェハホルダ 3の温度の影響を受けてウエノ、 2の中央部分 よりも温度が高くなってしまうことが判明した。 つまり、 従来の気相成長装置 1 0 0ではウェハ 2の面内温度分布が均一とならないために、 ウェハ 2の面内全域 において均一性に優れた薄膜を気相成長させるのは困難であることが明かとなつ た。
本発明は、 上記問題点を解決するためになされたもので、 ウェハの面內全域に おいて良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を 提供することを目的とする。 発明の開示
本発明は、 密閉可能な反応炉と、 該反応炉内に設置され所定の位置にゥュハを 配置するためのゥェハ収容体と、 ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス 供給手段と、 前記ウェハを加熱するための加熱手段と、 を少なくとも備え、 前記 反応炉內において前記加熱手段により前記ゥ ハ収容体を介してウェハを加熱し つつ、 高温状態で前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、 前記ウェハ表 面に成長膜を形成する気相成長装置において、 前記ウェハ収容体は、 単一の素材 もしくは部材からなり、 前記ウェハ収容体裏面から前記ウェハ表面に向かう熱伝 達経路の熱抵抗 R！と前記ゥ ハ収容体裏面から前記ゥ ハ収容体表面に向かう 熱伝達経路の熱抵抗 R 2の比 R 2/ R iが 0 . 4以上 1 . 0以下となるようにしたも のである。
ここで、 図 3に示すウェハ 2とウェハホルダ 3における熱抵抗概念図より、 ウェハホルダ 3の裏面からウェハ 2の表面に向かう熱伝達経路における熱抵抗 R 丄は、 ウェハホルダ 3部分の熱抵抗 Rlcと、 ウェハホルダ 3とウェハ 2との接触熱 抵抗 R lsと、 ウェハ 2部分の熱抵抗 R lwとを足し合わせた抵抗であり、 ウェハホ ルダ 3の裏面から表面に向かう熱伝達経路における熱抵抗 R 2はウェハホルダ 3 部分の熱抵抗 R2<;である。
これにより、' ウェハ収容体の裏面からウェハの表面おょぴウェハ収容体の表面 へ熱が伝達される際に、 それぞれの熱伝達経路における熱抵抗がほぼ同等となる ので、 同様の熱伝導が行われ、 ウェハ表面おょぴウェハ収容体表面の到達温度を 同じくすることができる。 したがって、 ウェハの表面温度とウェハ収容体の表面 温度に差が生じることによってウェハ周縁部の表面温度がウェハ中央部の表面温 度よりも上昇するのを回避でき、 ウェハの面内温度分布を均一に保持することが できる。 その結果、 ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相 成長させることができる。
具体的には、 前記ウェハ収容体を、 該ウェハ収容体に配置されるウェハの熱伝 導率に近い熱伝導率を有する材質で形成するのが望ましい。 特に限定しないが、 薄膜成長やリアクタ内の雰囲気を汚染しないような特性を有する材料であれば、 いかなる材料を用いてウェハ収容体を製作してもよい。 例えば、 アモルファス カーボン （熱伝導率 1 O W/m · K) ゃ窒化アルミニウム （熱伝導率 4 0〜5 0 W/m · K) 等は、 従来のグラフアイト （1 0 O WZm · K a t 6 0 0 °C) よ りもウェハと熱伝導率が近いのでウェハ収容部を形成する材質として適している。 さらに望ましくは、 前記ウェハ収容体を、 ウェハの熱伝導率の 0 . 5倍以上 2 倍以下の熱伝導率を有する材質で形成する。 これにより、 ウェハ収容体の厚さを 厚くすることなく 7熟抵抗比！^ ！^を 1に近づけることができるので、 装鬣の大 型化を回避できる。 例えば、 I n Pゥェハの場合、 6 0 0 °Cにおける熱伝導率が 1 4 . 3 WZm · Kなので、 熱伝導率が 7 . 1 5〜2 8 . 6 ^1 . でぁる材 質 （例えばアモルファスカーボン） でウェハ収容体を形成すればよい。
以下に、 本発明を完成するに至った経緯について説明する。
まず、 本発明者等は、 ウェハ 2の表面温度がウェハホルダ 3の表面温度より低 くなる原因について、 ウェハ 2およびウェハホルダ 3内部における熱伝達経路の 違いに着目した。 すなわち、 一般的にウェハ 2とウェハホルダ 3の材質は異なり、 同様の熱伝達が行われないために、 それぞれの表面の到達温度に差が生じると考 えた。 W
4
図 3は、 ウェハ 2とウェハホルダ 3における熱抵抗概念図である。 図 3におい て、 Tupはウェハホルダ 3の裏面温度で、 Tsuriはウェハ 2またはウェハホルダ 3 の表面温度で、 Td垂はゥヱハ 2およびウェハホルダ 3表面から所定の距離だけ 離れた位置に想定した面 （以下、 仮想境界面と称する） における温度である。 図 3に示すように、 ウエノヽ 2の表面にはウェハホルダ 3裏面からウェハホルダ 3お よびウェハ 2を通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路 1にしたがって熱伝達 が行われ、 ウェハホルダ 3の表面にはウェハホルダ 3裏面からウェハホルダ 3を 通過して仮想境界面に到達する熱伝達経路 2にしたがって熱伝達が行われる。 こ のように、 ウェハ 2の表面とウェハホルダ 3の表面とでは、 それぞれ熱の伝達経 路が異なっていることがわかる。
すなわち、 図 3に示すウェハ 2とウェハホルダ 3における熱抵抗概念図より、 熱伝達経路 1における熱抵抗 R iは、 ウェハホルダ 3部分の熱抵抗 R lcと、 'ウェハ ホルダ 3とウェハ 2との接触熱抵抗 R lgと、 ゥヱハ 2部分の熱抵抗 R lwとを足し 合わせた抵抗となり、 熱伝達経路 2における熱抵抗 R2はウェハホルダ 3部分の 熱抵抗 R2cとなる。
また、 熱抵抗 Rは下式 （1 ) で与えられる。
Figure imgf000006_0001
R [m2KXW] ：熱抵抗
L [m] ：熱流方向の素材の厚み
k [W/m · K] これより、 熱抵抗 Ri、 R2は下式のように表すことができる, ^ = ^ + ^ - ^ = -^- + ^ + ^ · · . ( 2 )
Figure imgf000006_0002
(ただし、 k lc二 k 2c) ここで、 ウェハ 2 ( I n P、 G a A s等） の熱伝導率 k lwはウェハホルダ 3 (グラフアイト、 モリブデン等） の熱伝導率 lc2cに比べて著しく小さいことから Lノ k lw> Lノ k2cとなるうえ、 ゥェハ 2とウェハホルダ 3との接触面では接触熱 抵抗 Rlgが生じるので、 明らかに Riよりも R2のほうが小さくなる。
Rt >R2 . . . (4) また、 熱伝達は、 熱伝達経路における熱流束に支配される。 一般に、 熱流束と は単位面積 （単位： m2) を流れるエネルギー （熱流） 量であり、 下式 （5) で 与えられる。 q—^-( dom-Tu„) · · · (5)
丄く ioial
q [WZm2] ：熱流束
Rt0 1 [m2K/W] ：総括熱抵抗
Tup [K] ：上流側温度
Tdown [K] ：下流側温度 ' また、 図 3において熱伝達経路 1 , 2における総括熱抵抗 Ru。tal, R2t。 lは下 式で表される。
Rllolal =^+Kia · · · (6)
· · · (7)
(ただし、 Rla=R2a) 上式 （4) 、 （6) 、 (7) より Rlt。tal〉: 2t。talとなる。 したがって、 熱伝達 経路 1における熱流束 q ,は熱伝達経路 2における熱流束 q 2よりも小さくなる。 Q2 > Qi ' ' ' ( 8 ) また、 熱流束 qい ci2は、 ウェハ 2の表面温度 Tlsurf、 ゥヱハホルダ 3の表面 温度 T 2surrを用いて下式のように表すことができる。 1ί - "/) * ( 9 )
Figure imgf000008_0001
12 =~ (2 (10)
R
上式 （8) 、 （9) 、 （10) より、 ウェハ 2の表面温度 Tlsul.rがウェハホル ダ 3の表面温度 T2sul.rよりも低くなることが導き出される。
r 、τ · · · (11) このように、 従来の気相成長装置においては、 ウェハ 2とウェハホルダ 3の熱 伝導率が大きく異なるために、 上述のように表面温度 Tls ，、 T2surfに差が生じる ことがわかった。
そこで、 本発明者等は、 ウェハ 2の表面温度 Tlsul.rとウェハホルダ 3の表面温 度 T2surfの差を小さくする方法について検討し、 上式 （5) 〜 （10) より、 そ れぞれの熱伝達経路における熱抵抗 と R2を同等とすればよいことに気づいた (すなわち、 熱抵抗比 / を 1に近づける） 。
本発明は、 上記知見をもとに完成するに至ったものであり、 気相成長装置にお いてウェハホルダ 3を単一の素材若しくは部材で構成した場合、 ゥェハホルダ 3 裏面からウェハ 2表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗 R iとウェハホルダ 3裏面か らウェハホルダ 3表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗； R 2の比 R 2/ Rが 0. 4以上 1. 0以下となるようにしたものである。
なお、 上式 （2) (3) において Lcの値を大きくすることによつても熱抵 抗比 ノ を 1に近づけることができるが、 温度制御上、 装置の有効空間上、 コスト上の問題から実現は困難であるため、 具体的な方策として、 ゥヱハホルダ 3の材質をゥ ハ 2の熱伝導率と近い熱伝導率を有する材質とした。 図面の簡単な説明
図 1は、 本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。
図 2は、 単一の素材若しくは部材からなるウェハホルダ 3の詳細な構成を示す 拡大図であり、 （a ) は上面図で、 （b ) は A— A線に沿った断面図である。 図 3は、 単一の素材若しくは部材からなるウェハホルダ 3を用いた場合のゥェ ノヽ 2とウェハホルダ 3における熱抵抗概念図である。
図 4は、 実施例に係る気相成長装置 1 0 0のウェハ 2およびゥ-ハホルダ 3近 傍の概略解析モデル図である。
図 5は、 実施例として a—カーボン製のウェハホルダを用いた場合のウェハお ょぴゥヱハホルダ内部の温度分布を示した解析結果である。
図 6は、 比較例としてグラフアイ ト製のウェハホルダを用いた場合のウェハお よびゥヱハホルダの温度分布を示した解析結果である。
図 7は、 実施例におけるウェハ 2とウェハホルダ 3の表面温度分布を示した解 析結果である。
図 8は、 比較例におけるウェハ 2とウェハホルダ 3の表面温度分布を示した解 析結果である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明にかかる気相成長装置 （MO C V D装置） の実施形態について図 面を参照しながら説明する。
図 1は、 本実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。 図 2は、 本実施例に係るウェハホルダ 3の詳細な構成を示す拡大図であり、 （ a ) は上面 図、 （b ) は A— A線に沿った断面図である。
第 1実施例の気相成長装置の概略構成は従来技術で示した気相成長装攆と同じ であるが、 ウェハ収容体としてのウェハホルダ 3の材質を、 従来技術ではダラ ファイ ト等の熱伝導率が高い材質としていたのを、 本実施例ではアモルファス カーボン （以下、 a—カーボンと略記する） としている点が異なる。
図 1に示すように、 気相成長装置 1 0 0は、 反応炉 1と、 ウェハ 2を配置する ウェハホルダ 3と、 ウェハホルダ 3を載置するサセプタ 4と、 サセプタ 4の下側 に設けられた加熱ヒータ 5と、 ウェハホルダ 3およぴサセプタ 4を回転自在に支 持する回転機構 6と、 原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管 7と、 未反 応ガスを排気するガス排気管 8等で構成される。 この気相成長装置 1 0 0の各壁体は例えばステンレスで構成される。 また、 ガ ス導入管 7は上側壁体中央部に設置され、 例えば、 トリメチルインジウム （TM I ) 、 トリメチルアルミニウム （TMA 1 ) 、 トリメチルガリウム （TMG) 等 の第 1 3 ( 3 B ) 族原料ガスと、 アルシン （A s H3) 、 ホスフィン ( P H3) 等 の第 1 5 ( 5 B ) 族原料ガスと、 キャリアガスとしての水素 （H2) 等の不活性 ガスと、 を反応炉内に導入する。
ウェハホルダ 3は、 円盤状に成型された a—カーボンからなり、 サセプタ 4上 に載置される。 また、 ウェハホルダ 3は、 その片面にウェハ 2を配置するための 円形のポケット孔 3 aを同一円周上に複数個 （図 2では 6個） 形成されている。 サセプタ 4は、 加熱ヒータ 5からの熱を均等に伝達するために熱伝導率の高い材 質 （例えばモリブデン等） で構成され、 回転機構 6により回転可能に支持されて いる。 また、 サセプタ 4の下側にはウェハ 2を加熱するための加熱ヒータ 5が同 心円状に配設されている。
従来の気相成長装置において、 ウェハホルダ 3には熱伝導率の高いグラフアイ トゃモリブデン等が用いられるのが一般的であつたが、 本実施形態では a—力一 ボン製としている。 すなわち、 熱伝導率が 1 0 O W/m · Kのグラフアイ トの代 わりに、 熱伝導率が 1 O WZm · Kの a—カーボンを用いることにより、 ウェハ ホルダ 3に配置されるウェハ 2の熱伝導率とウェハホルダ 3の熱伝導率が近くな るようにしている。 I n Pウェハの熱導電率は 1 4 . 3 W/m · Kであるから、 a—カーボンの熱導電率はその約 0 . 7倍となる。
このように、 本実施形例では、 a—カーボンの熱伝導率は配置されるゥ-ハ 2 の熱伝導率に近いため、 加熱ヒータ 5からサセプタ 4およびウェハホルダ 3を介 してウェハ 2表面おょぴウェハホルダ 3表面に向かう熱伝達経路における熱抵抗 は同等となるので、 ウェハ 2表面とゥェハホルダ 3表面はほぼ同じ温度に到達す る。 したがって、 ウェハ 2とウェハホルダ 3の表面温度の差によってウェハ周縁 部がウェハ中央部よりも温度が高くなるのを回避できるので、 ウェハ 2の面内温 度分布が均一となりやすい。
ガス排気管 8は、 反応炉 1の底面に設置される。 ガス導入管 7を介して導入口 より反応炉 1内に導入された原料ガスは、 反応炉の上流側で分解され下流側に流 れてウェハ 2上に薄膜を形成し、 未反応の原料ガスはキャリアガスと共に排気口 を介してガス排気管 8から外部へ排出される。
また、 図には示さないが、 例えば回転機構 6の外周および反応炉の下側壁面外 壁には水冷ジャケットが設けられ、 これらの水冷ジャケットおよび加熱ヒータ 5 で反応炉 1内の温度を制御するようになっている。
上述した構成をした気相成長装置 1 0 0においては、 加熱ヒータ 5によりサセ プタ 4の下側から加熱することによりサセプタ 4、 ウェハホルダ 3を介してゥヱ ハ 2に熱が伝わり、 ウェハ 2を所定の温度まで上昇させる。 また、 サセプタ 4を 回転機構 6により所定の回転数で回転させることにより、 ガス導入管 7より導入 した原料ガスやキャリアガスをゥ: ハ 2表面に均等に供給して薄膜を気相成長さ せる。 このとき、 ウェハ 2表面とウェハホルダ 3表面の温度はほぼ同じとなるの で、 ゥヱハ 2の面内温度分布は均一となり、 均一性に優れた薄膜を気相成長させ ることができる。
以下に、 実施例の気相成長装置を用いて熱伝導に関するシミュレーシヨンを 行った結果を示し、 本発明の特徴とするところを明らかにする。 また、 従来の気 相成長装置を用いて同様のシミュレーションを行い比較例とした。
シミュレーションは、 上述した気相成長装置 1 0 0において、 ウェハ 2および その近傍をモデル化して、 有限体積法による 3次元熱伝導解析により行った。 な お、 実施例では a—カーボン製のウェハホルダ 3とし、 比較例ではグラフアイ ト 製のウェハホルダ 3とした。
図 4は、 気相成長装置 1 0 0のウェハ 2およびウェハホルダ 3 (ゥ ハの外周 より 1 0 mm) の概略解析モデル図である。 図 4において、 ウェハホルダ 3の底 面からウェハ 2までの距離は 2 . 3 mmとした。 また、 ウェハ 2は厚さ 0 . 5 m m、 内径 5 0 mm ( 2インチ） の I n Pウェハとし、 反応炉 1内は水素雰囲気と した。 また、 解析時のメッシュ数は約 6 0 0万メッシュとした。
また、 ウェハ 2とウェハホルダ 3との間の接触熱抵抗 （： Rlg) を 2 . 0 x 1 0一4 m2KZWとした。 なお、 接触熱抵抗 Rlgは、 接触する部材間の平面度、 表面粗さ、 '物質の熱拡散係数によって影響を受け、 接触面間の距離を小さく調整することに より、 より小さくすることができる。 さらに、 解析条件として、 ウェハ 2の上方 3 5 mmに位置する仮想境界面に 4 5 °C、 ウェハホルダ 3境界面 (裏面） に 6 5 0 °Cの境界条件を与えた。 なお、 水 素は低プラントル数のため熱拡散が粘性拡散よりも優位で、 また層流域の比較的 低いレイノルズ数域では移流の影響を無視して考えることができるので、 本モデ ルの熱伝導解析では近似的に固体として扱った。
また、 本解析では下表 1に示す物性値を用いた。
表 1
Figure imgf000012_0001
図 5は実施例として a—カーボン製のウェハホルダ 3を用いた場合のウェハ 2 およぴゥヱハホルダ 3内部の温度分布を示した解析結果であり、 図 6は比較例の 解析結果である。 なお、 図 5、 図 6では、 解析結果を明確にするためにウェハ 2 とウェハホノレダ 3の境界部分を拡大している。
また、 図 7は実施例におけるウェハ 2とウェハホルダ 3の表面温度分布を示し た解析結果であり、 +図 8は比較例におけるウェハ 2とウェハホルダ 3の表面温度 分布を示した解析結果である。 なお、 図 7、 図 8では、 ウェハ中心を 0として直 径方向の位置における表面温度を示している。
実施例では、 図 5に示すように熱流の進行方向 （ウェハホルダ 3裏面→表面） に大きな温度勾配を示すが、 ウェハ 2とウェハホルダ 3における温度勾配はほぼ 同等となっている。 一方、 比較例では、 図 6に示すようにウェハ 2における温度 勾配が大きいのに対して、 ウェハホルダ 3における温度勾配が比較的緩やかであ る。 このことから、 実施例では熱伝達経路が異なっても同じように熱伝導が行わ れていることがわかる。
なお、 実施例では熱抵抗比 R 2Z Rが 0 . 5 5 4であったのに対して、 比較例 では熱抵抗比 l^Z R iは 0 . 0 9 1であった。
また、 実施例では、 図 7に示すようにウェハ表面温度が約 6 3 7 . 4。C、 ゥェ ハホルダ表面温度が約 6 3 9 . 0 °Cでその差が約 1 . 6 °Cであるのに対して、 比 較例では図 8に示すようにウェハ表面温度が約 6 3 8 . 7 °C、 ウェハホルダ表面 温度が約 6 4 1 . 0 °Cでその差が約 2 . 3 °Cであった。 つまり、 ウエノ、 2の周縁 部 （2 2〜2 5 mm) の表面温度と中央部 （0付近） の表面温度との差は実施例 の方が小さく、 ウェハ 2の面內温度分布が均一に改善されていることが分かった。 以上説明したように、 実施例ではゥ ハ 2周縁部の表面温度がウェハホルダ 3 の表面温度から受ける影響は小さくなくなるので、 ウェハ 2の面内温度分布を均 一に保持することができた。 その結果、 ウェハ 2の面内全域において良好な均一 性を有する薄膜を気相成長させるのに適しているといえる。
本実施例によれば、 気相成長装置 1 0 0において、 ウェハ収容体裏面から前記 ウェハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗 1^と前記ウェハ収容体裏面から前記 ウェハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗 R2の比 / が 0 . 4以上 1 . 0以下としたので、 それぞれの熱伝達経路における熱抵抗は同等となる。 すなわ ち、 同様の熱流束にしたがって熱伝導が行われるので、 ウェハおょぴウェハ収容 体の表面の到達温度を同じくすることができる。
+したがって、 ウェハ周縁部の表面温度がウェハホルダの表面温度から受ける影 響は少なくなるので、 ウェハの面内温度分布を一様に保持することができ、 その 結果、 ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させるこ とができるという効果を奏する。 産業上の利用可能性
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となつた縦 型高速回転式の気相成長装置について説明したが、 本発明はそれに限定されるも のでなく、 気相成長装置一般、 例えば、 フェイスダウン方式、 横型方式、 自公転 方式の気相成長装置にも利用することができる。
また、 I n Pウェハを用いた場合に限らず、 S i、 G a A s、 G a N、 サファ ィァ、 ガラス、 セラミックウェハなどに薄膜を成長させる場合にも有効である。 この場合、 用いるゥヱハに応じてウェハホルダ 3の材質を変更するようにしても よい。

Claims

請求の範囲
1 . 密閉可能な反応炉と、 該反応炉内に設置され所定の位置にウェハを配置する ためのゥヱハ収容体と、 ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段 と、 前記ウェハを加熱するための加熱手段と、 を少なくとも備え、
前記反応炉内において前記加熱手段により前記ウェハ収容体を介してウェハを 加熱しつつ、 高温状態で原料ガスを供給することにより、 前記ウェハ表面に成長 膜を形成する気相成長装置において、
前記ゥェハ収容体は、 単一の素材もしくは部材からなり、
前記ゥ ハ収容体裏面から前記ゥ ハ表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗 R ,と 前記ゥ ハ収容体裏面から前記ゥュハ収容体表面に向かう熱伝達経路の熱抵抗 R 2の比 l^Zl^が 0 . 4以上 1 . 0以下であることを特徴とする気相成長装置。
2 . 前記ウェハ収容体は、 配置されるウェハの熱伝導率の 0 . 5倍以上 2倍以下 の熱伝導率を有する材質で形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の気 相成長装置。
3 . 前記ウェハ収容体は、 アモルファスカーボンで形成されていることを特徴と する請求項 1または請求項 2に記載の気相成長装置。
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