WO2022079954A1 - 気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a vapor phase growth apparatus for vapor phase growth of a semiconductor single crystal thin film on the main surface of a single crystal substrate, and a method for manufacturing an epitaxial wafer realized by using the vapor phase growth apparatus.
  • the silicon epitaxial wafer formed with (abbreviated as)) is widely used in electronic devices such as bipolar ICs and MOS-ICs.
  • a single-wafer vapor phase deposition apparatus is becoming mainstream instead of a method of batch processing a plurality of wafers.
  • one substrate is horizontally rotated and held in the reaction vessel, and the raw material gas is supplied substantially horizontally and unidirectionally from one end to the other end of the reaction vessel to grow the thin film in a vapor phase.
  • methods such as infrared radiant heating, high frequency induction heating, or resistance heating are used to heat the substrate.
  • the temperature of the silicon substrate and susceptor rises, but the temperature of the wall of the reaction vessel is low. It is designed to form a so-called cold wall environment that is preserved.
  • a raw material gas is usually supplied from a gas inlet formed at one end of a reaction vessel via a gas supply pipe, and the raw material gas flows along the main surface of the substrate, and then the raw material gas flows.
  • the structure is such that the gas is discharged from the discharge port on the other end side of the container.
  • Non-Patent Document 1 when a silicon epitaxial wafer is manufactured, if the relative speed between the main surface of the substrate and the raw material gas is increased due to an increase in the rotation speed of the susceptor, the growth of the silicon single crystal layer deposited on the substrate It is disclosed that the speed can be increased.
  • Non-Patent Document 1 In the experiment disclosed in Non-Patent Document 1, the concentration and flow rate of the raw material gas supplied to the reaction vessel are set to be constant, and the growth of the silicon single crystal layer when the susceptor rotation speed is increased under such circumstances. The results show that the speed increases. Further, in Non-Patent Document 2, in the above-mentioned cold wall environment, when the gas phase temperature when growing the silicon single crystal layer rises, the transport rate of the raw material gas component is rate-determined (that is, the main surface of the substrate). In the upper diffusion layer), it has been thermodynamically shown that the growth rate of the single crystal layer decreases.
  • the main surface of the substrate and the reaction vessel which are the raw material gas flow passages, are used. It is considered effective to adopt a structure in which the height of the space between the ceiling plate and the lower surface of the ceiling plate is reduced. Specifically, in the process of growing a semiconductor single crystal, the above-mentioned spatial height is adopted by adopting a structure in which the position of the susceptor holding the substrate is closer to the lower surface of the top plate of the reaction vessel in the height direction. Can be reduced.
  • the film thickness distribution width in the plane of the formed semiconductor single crystal layer tends to increase easily.
  • the structure in which the position of the susceptor is separated from the lower surface of the ceiling plate of the reaction vessel that is, the structure in which the space height between the main surface of the substrate serving as the raw material gas flow passage and the lower surface of the ceiling plate of the reaction vessel is increased. It is considered effective to reduce the flow velocity of the raw material gas by adopting.
  • Patent Document 1 discloses a vapor phase growth apparatus incorporating a mechanism for raising and lowering a susceptor (and a susceptor cover) in a reaction vessel.
  • the purpose of raising and lowering the susceptor is to improve workability during equipment maintenance, and a technique for adjusting the flow velocity of the raw material gas by changing the susceptor position during the growth of the semiconductor single crystal layer. No mention is made of the idea. Even if a mechanism similar to that of Patent Document 1 is adopted in order to adjust the flow velocity of the raw material gas, the following problems will occur.
  • the film thickness distribution of the semiconductor single crystal layer formed on the substrate in the single-wafer vapor phase growth apparatus is greatly affected by the temperature distribution in the main surface of the substrate, and in particular, the temperature drop is caused.
  • the outer peripheral edge of the substrate which tends to occur, tends to vary toward the side where the thickness of the semiconductor single crystal layer is large.
  • a preheating ring is generally provided around the susceptor in order to equalize the heat of the outer peripheral edge of the substrate.
  • Patent Document 1 is not provided with the above-mentioned preheating ring, and even if it is provided, if the position of the preheating ring in the height direction is fixed in the reaction vessel, the susceptor As the position in the height direction is changed, the relative positional relationship between the substrate on the susceptor and the preheating ring in the height direction fluctuates greatly. As a result, if the positional deviation between the preheating ring and the substrate in the height direction becomes large due to the change setting of the susceptor holding position, the heat equalizing effect of the preheating ring on the outer peripheral portion of the substrate is insufficient, and the semiconductor single crystal layer This leads to a large variation in film thickness. In addition, since a large step is generated between the main surface of the substrate and the preheating ring, the flow of the raw material gas tends to be disturbed when passing through the step, which also causes the film thickness variation of the semiconductor single crystal layer. Can be.
  • An object of the present invention is that in a vapor phase growth apparatus provided with a preheating ring around a susceptor, the flow velocity of the raw material gas can be adjusted by changing the susceptor position, and the thickness of the semiconductor single crystal layer varies due to the change in the susceptor position.
  • the purpose is to reduce the effect on the gas.
  • the gas phase growth apparatus of the present invention is for growing a semiconductor single crystal thin film on the main surface of a single crystal substrate, and a gas inlet is formed on the first end side in the horizontal direction, which is also the second. It has a reaction vessel body with a gas discharge port formed on the end side, and the raw material gas for forming a semiconductor single crystal thin film is introduced into the reaction vessel body from the gas inlet and in the internal space of the reaction vessel body. After the raw material gas flows along the direction along the main surface of the single crystal substrate that is held to rotate substantially horizontally, it is configured to be discharged from the gas outlet, and a preheating ring is arranged so as to surround the susceptor. To.
  • the height dimension of the raw material gas flow space formed between the main surface of the single crystal substrate mounted on the susceptor and the lower surface of the upper wall portion of the reaction vessel body is further formed.
  • the susceptor position change mechanism that changes the height direction holding position of the susceptor in the reaction vessel body based on the elevation of the susceptor and the change of the height direction holding position of the susceptor follow. It is characterized by being provided with a preheating ring position changing mechanism that changes the holding position of the preheating ring in the height direction in the reaction vessel body based on the raising and lowering of the preheating ring.
  • the method for manufacturing an epitaxial wafer of the present invention has a reaction vessel main body in which a gas inlet is formed on the first end side in the horizontal direction and a gas discharge port is also formed on the second end side.
  • the single crystal substrate is rotated and held substantially horizontally on a disk-shaped susceptor that is rotationally driven in the internal space of the reaction vessel body, and the semiconductor single crystal introduced into the reaction vessel body from the gas inlet.
  • the raw material gas for forming a thin film is configured to flow along the main surface of the single crystal substrate and then discharged from the gas outlet, and a preheating ring is arranged so as to surround the susceptor, and further, the susceptor is arranged.
  • the susceptor A susceptor position change mechanism that changes the height holding position of the susceptor in the reaction vessel body based on the elevation of the A single crystal substrate is placed in the reaction vessel body of the gas phase growth apparatus equipped with a preheating ring position change mechanism for changing the height direction holding position of the preheating ring, and the raw material gas is circulated in the reaction vessel body. It is characterized in that an epitaxial wafer is obtained by vapor-phase epitaxially growing a semiconductor single crystal thin film on a single crystal substrate.
  • the preheating ring position changing mechanism preheats so that the main surface of the single crystal substrate on the susceptor and the upper surface of the preheating ring coincide with each other as the holding position in the height direction of the susceptor is changed. It is desirable to configure the ring so that the holding position in the height direction is changed.
  • the height direction holding position of the susceptor is the first position on the susceptor side where the height direction dimension of the raw material gas flow space is the first dimension, and the height direction dimension of the raw material gas flow space is the first. It can be configured to change between the second position on the susceptor side, which is the second dimension smaller than one dimension.
  • the preheating ring position changing mechanism changes the height holding position of the preheating ring between the ring-side first position and the ring-side second position corresponding to the susceptor-side first position and the susceptor-side second position, respectively. Can be configured to.
  • the susceptor is, for example, rotationally driven via a rotary shaft member whose upper end is coupled to the lower surface of the susceptor.
  • the susceptor position changing mechanism is configured to move the susceptor up and down together with the rotary shaft member.
  • the preheating ring position changing mechanism allows the rotary drive of the rotary shaft member, and is arranged coaxially on the outside of the rotary shaft member so as to be able to move up and down along the axis of the rotary shaft member, and the lift sleeve and preheating. It can be configured to include a connecting member that connects the ring and an elevating drive unit that integrally elevates and drives the elevating sleeve and the connecting member.
  • a lift pin for lifting up the semiconductor substrate on the susceptor by pushing it up from the lower side can be provided so that the lower end side protrudes downward from the susceptor.
  • a configuration can be adopted in which the base end side of the lift pin drive arm for urging the lift pin upward from below is connected to the elevating sleeve.
  • a lower liner formed in a ring shape around the susceptor in the reaction vessel body and arranged at a position where the outer peripheral surface faces the gas introduction port faces the lower liner above the lower liner.
  • the raw material gas that is supplied from the gas inlet and is dispersed in the circumferential direction by hitting the outer peripheral surface of the lower liner is guided over the main surface of the single crystal substrate on the susceptor.
  • An upper liner can be provided.
  • the lower liner has a liner base that forms an outer peripheral surface and is fixedly attached to the reaction vessel body in the vertical direction, and a preheating ring is attached to the upper surface so that it can slide vertically with the preheating ring to the liner base.
  • the liner movable portion and the coupling assisting portion in which one end is coupled to the elevating sleeve and the other end is coupled to the liner movable portion constitutes the above-mentioned coupling member.
  • the preheating ring can be attached to the liner movable portion so that the upper surface coincides with the upper surface of the liner movable portion, for example.
  • the liner movable portion is a tubular sliding portion that opens to the upper surface of the liner base and is inserted into a groove portion carved along the circumferential direction of the liner base so that the base end side slides up and down in the groove portion.
  • a flange portion extending inward in the radial direction from the upper end edge of the sliding portion, and the preheating ring can be attached to the upper surface of the flange portion.
  • the vapor phase growth apparatus of the present invention is configured to be able to change the height holding position of the susceptor in the reaction vessel body by raising and lowering the susceptor by the susceptor position changing mechanism.
  • the height dimension of the raw material gas flow space formed between the main surface of the single crystal substrate mounted on the susceptor and the lower surface of the upper wall of the reaction vessel body is stepwise or stepless. It can be changed and set, and the flow velocity of the raw material gas when growing the semiconductor single crystal layer on the single crystal substrate, and eventually the semiconductor single crystal layer can be adjusted.
  • a preheating ring position changing mechanism for changing the height holding position of the preheating ring in the reaction vessel body based on the elevating and lowering of the preheating ring is provided so as to follow the change of the height holding position of the susceptor. It is provided.
  • FIG. 3 is a side sectional view showing an example of an ascending / descending sliding portion of a preheating ring in the vapor phase deposition apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the lift pin drive mechanism of the vapor phase growth apparatus of FIG. 1 taken out.
  • the plan view which shows an example of the arrangement form of the coupling auxiliary part which raises and lowers a preheating ring.
  • the operation explanatory view of the vapor phase growth apparatus of FIG. The plan view of the vapor phase growth apparatus of FIG.
  • the block diagram of the control system of the vapor phase growth apparatus of FIG. Schematic diagram of the setting value table.
  • the flowchart which shows an example of the processing flow of the control program in the control system of FIG.
  • the schematic diagram which shows an example of a screw shaft mechanism.
  • the side sectional view which shows the deformation example of the elevating sliding part of a preheating ring.
  • FIG. 1 is a side sectional view schematically showing an example of the vapor phase growth apparatus 1 according to the present invention.
  • this vapor phase deposition apparatus 1 is for producing a silicon epitaxial wafer EW by vapor-depositing a silicon single crystal thin film EL on a main surface (upper surface) PP of a silicon single crystal substrate W. be.
  • the reaction vessel main body 2 has a gas introduction port 21 formed on the first end side in the horizontal direction and a gas discharge port 22 formed on the second end side. Has.
  • the raw material gas G for forming the thin film is introduced into the reaction vessel main body 2 from the gas introduction port 21, and is rotated and held substantially horizontally in the internal space 5 of the reaction vessel main body 2 (hereinafter referred to as a silicon single crystal substrate W). It is configured to flow along the main surface of the substrate W) and then be discharged from the gas discharge port 22.
  • the reaction vessel main body 2 is entirely formed of a metal material such as quartz and stainless steel together with other internal components, and has a structure divided into a main body lower part 3 and a main body upper part 4.
  • the internal space 5 includes a raw material gas distribution space 5A in which the ceiling plate 4C is partitioned by the upper part 4 of the main body, and a device arrangement space 5B in which the lower part 3 of the main body divides the ceiling plate 4C.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing the configuration of the vapor phase growth apparatus 1.
  • the gas inlet 21 of FIG. 1 is composed of a plurality of gas inlets 21A and 21B arranged in the horizontal direction.
  • the raw material gas G is guided to the internal space 5 from the gas introduction ports 21A and 21B via the gas pipe 50.
  • the gas pipe 50 is branched into an inner pipe 53 and an outer pipe 51 so that the flow rate of the raw material gas can be adjusted by the gas flow rate regulators 52 and 54, respectively.
  • the inner pipe 53 opens the inner gas introduction port 21A.
  • the outer pipe 51 is further divided into branch pipes 55 and 55, and the outer gas introduction ports 21B and 21B are opened, respectively.
  • the raw material gas G1 from the gas introduction port 21A is supplied to the region forming the central portion of the substrate W, and the raw material gas G2 from the gas introduction port 21B is supplied to the regions on both the left and right ends, and then aggregated at the gas discharge port 22. It is discharged to the gas discharge pipe 60.
  • the raw material gas G (G1, G2) is for vapor phase growth of a silicon single crystal thin film on the above-mentioned substrate W, and is used for SiHCl 3 , SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH 4 , Si 2 H 6 , and the like. It is selected from among the silicon compounds of.
  • the raw material gas G is appropriately blended with B 2 H 6 or PH 3 as a dopand gas, H 2 , N 2 , Ar or the like as a diluting gas.
  • a corrosive gas appropriately selected from HCl, HF, ClF 3 , NF 3 , etc. Is treated by supplying the pretreatment gas diluted with the diluting gas into the reaction vessel main body 2 , or the high temperature heat treatment is performed in the atmosphere of H2.
  • a disk-shaped susceptor 9 rotationally driven by a motor 40 is arranged around a vertical rotation axis O, and a shallow counterbore 9B formed on the upper surface thereof ( (See FIG. 4), only one substrate W for manufacturing the silicon epitaxial wafer EW of FIG. 2 is arranged. That is, the vapor phase growth device 1 is configured as a horizontal single-wafer type vapor phase growth device.
  • the substrate W has, for example, a diameter of 100 mm or more.
  • infrared heating lamps 11 for heating the substrate are arranged at predetermined intervals above and below the reaction vessel main body 2 corresponding to the arrangement region of the substrate W.
  • a preheating ring 32 is arranged so as to surround the susceptor 9.
  • the above-mentioned raw material gas flow space 5A is formed between the main surface of the substrate W mounted on the susceptor 9 and the lower surface of the ceiling plate 4C of the reaction vessel main body 2.
  • the susceptor 9 is rotationally driven by the motor 40 via a rotary shaft member 15 whose upper end is coupled to the lower surface of the susceptor 9.
  • the base end portions of a plurality of susceptor support arms 15D are coupled to the tip positions of the rotary shaft member 15.
  • Each susceptor support arm 15D extends in the radial direction of the susceptor 9 while the tip end side is inclined upward, and each tip portion is coupled to the lower surface outer peripheral edge region of the susceptor 9 by a coupling pin 15c.
  • the vapor phase growth apparatus 1 is provided with a susceptor position changing mechanism 39 for changing and setting the height direction dimension of the raw material gas flow space 5A.
  • the susceptor position changing mechanism 39 is for changing the height holding position of the susceptor 9 in the reaction vessel main body 2 based on the raising and lowering of the susceptor 9.
  • the susceptor position changing mechanism 39 is configured to raise and lower the susceptor 9 together with the rotary shaft member 15 (and the motor 40), and in the present embodiment, the raising and lowering drive portion thereof is configured by an air cylinder 41 (may be an electric cylinder). There is.
  • the tip of the cylinder rod of the air cylinder 41 is coupled to the susceptor assembly including the rotary shaft member 15 and the motor 40 via the base material BP1.
  • the height holding position of the susceptor 9 in the growth process of the silicon single crystal thin film is the first position on the susceptor side where the height dimension d of the raw material gas flow space 5A is the first dimension h shown in FIG. 1 (FIG. 6: 6: Corresponding to the rod retracting position P1 of the air cylinder 41: hereinafter also referred to as the susceptor side first position P1) and the susceptor side second position having the second dimension h'(smaller than the first dimension h) shown in FIG. (Corresponding to the rod forward position P2 of the air cylinder 41: hereinafter, also referred to as the second position P2 on the susceptor side) is selectively set.
  • the values that can be set and changed for the height direction dimension of the raw material gas flow space 5A are limited to two types, the first dimension h and the second dimension h', but the configuration of the elevating drive unit is greatly simplified. There is an advantage that it can be converted.
  • the vapor phase growth device 1 of FIG. 1 is provided with a preheating ring position changing mechanism 12.
  • the preheating ring position changing mechanism 12 changes the height holding position of the preheating ring 32 in the reaction vessel main body 2 based on the elevating and lowering of the preheating ring 32 so as to follow the change of the height holding position of the susceptor 9. belongs to.
  • the preheating ring position changing mechanism 12 allows the rotary shaft member 15 and thus the susceptor 9 to be rotationally driven, and is coaxial with the outside of the rotary shaft member 15 and along the axis of the rotary shaft member 15.
  • An elevating sleeve 12B arranged so as to be relatively elevable with respect to 15, a connecting member (liner movable portion 33 and + coupling assisting portion 35: described later) for connecting the elevating sleeve 12B and the preheating ring 32, and an elevating sleeve 12B. It is provided with an elevating drive unit (air cylinder 42) that integrally elevates and drives the coupling member and the coupling member.
  • the base for elevating and driving the preheating ring 32 can be integrated around the rotary shaft member 15 in the form of an elevating sleeve 12B, and thus the lower part of the susceptor 9 in the reaction vessel body 2 is limited.
  • the preheating ring position changing mechanism 12 can be compactly configured in the space (equipment arrangement space 5B).
  • annular lower liner 29 is provided around the susceptor 9 in the reaction vessel main body 2 so that the outer peripheral surface faces the gas introduction port 21.
  • annular upper liner 30 is provided so as to face above the lower liner 29.
  • the raw material gas G supplied from the gas introduction port 21 hits the outer peripheral surface of the lower liner 29 and tries to flow over the lower liner 29 while being dispersed in the circumferential direction.
  • the upper liner 30 serves to guide the flow of the raw material gas G onto the main surface of the silicon single crystal substrate W on the susceptor 9.
  • the lower liner 29 includes a liner base 31 and a liner movable portion 33.
  • the liner base 31 is fixedly attached to the reaction vessel main body 2 in the vertical direction.
  • the liner movable portion 33 has a preheating ring 32 attached to the upper surface thereof, and is slidably attached to the liner base 31 together with the preheating ring 32 in the vertical direction.
  • the liner base 31 forms the above-mentioned outer peripheral surface that receives the flow of the raw material gas G supplied from the gas introduction port 21.
  • the above-mentioned coupling member is composed of a liner movable portion 33 and a coupling assisting portion 35 having one end coupled to the elevating sleeve 12B and the other end coupled to the liner movable portion 33.
  • the coupling assisting portion 35 is formed in an arm shape in which the proximal end side is coupled to the elevating sleeve 12B and the distal end side is coupled to the liner movable portion 33.
  • a plurality of coupling assisting portions 35 are provided around the central axis of the elevating sleeve 12B (four in the configuration of FIG. 5).
  • the susceptor 9 and the preheating ring 32 are omitted.
  • the liner movable portion 33 includes a cylindrical sliding portion 33A and a flange portion 33B extending inward in the radial direction from the upper end edge of the sliding portion 33A.
  • the liner base 31 is open on the upper surface of the liner base 31 and has a groove portion 31 g engraved along the circumferential direction.
  • the lower end side of the sliding portion 33A of the liner movable portion 33 is inserted into the groove portion 31g so as to slide up and down in the groove portion 31g.
  • the preheating ring 32 is attached to the upper surface of the flange portion 33B.
  • the sliding portion 33A of the liner movable portion 33 to which the preheating ring 32 is directly attached slides in the groove portion 31g of the liner base 31 in the height direction, whereby the preheating ring 32 is formed. It becomes easier to keep the preheating ring 32 horizontal when changing the holding position in the height direction.
  • the preheating ring position changing mechanism 12 has an air cylinder 42 as an elevating drive unit in the present embodiment.
  • the tip of the cylinder rod of the air cylinder 42 is coupled to the liner movable portion 33 via the base material BP2.
  • the preheating ring position changing mechanism 12 sets the height position of the preheating ring 32 in the ring side first position (FIG. 6: air cylinder) corresponding to the susceptor side first position (FIG. 6: see reference numeral P1) shown in FIG. 42 rod retract position P1'see: hereinafter also referred to as ring side first position P1') and ring side second position (FIG. 6: see reference numeral P2) corresponding to the susceptor side second position shown in FIG.
  • FIG. 6 see reference numeral air
  • the preheating ring position changing mechanism 12 changes the main surface of the silicon single crystal substrate W on the susceptor 9 as the holding position in the height direction of the susceptor 9 is changed. It is configured to change the holding position in the height direction of the preheating ring 32 so that the upper surface of the preheating ring 32 and the upper surface of the preheating ring 32 coincide with each other. Even when the holding position in the height direction of the preheating ring 32 is changed, the upper surface of the preheating ring 32 is aligned with the main surface of the silicon single crystal substrate W on the susceptor 9, so that the main surface of the substrate and the preheating ring 32 are aligned with each other. There is no step between them, and the turbulence of the raw material gas flow when passing through the step can be effectively suppressed.
  • the preheating ring 32 is attached to the liner movable portion 33 so that the upper surface thereof coincides with the upper surface of the liner movable portion 33.
  • the preheating ring 32 is attached to the liner movable portion 33 so as to be fitted into the counterbore portion 33K formed along the inner peripheral edge of the upper surface of the flange portion 33B.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the lift pin drive mechanism taken out (parts related to raising and lowering the preheating ring 32 such as the coupling assisting portion 35 are omitted).
  • a plurality of lift pin insertion holes 14 are formed in the circumferential direction on the outer peripheral edge of the bottom of the counterbore 9B of the susceptor 9 so as to penetrate the bottom vertically.
  • the upper end portion of the lift pin 13 has a head diameter larger than that of the base end side, and the upper end portion of the insertion hole 14 is a counterbore portion whose diameter is expanded according to the head portion of the lift pin 13.
  • the elevating sleeve 12B described above is coupled to each base end side of a plurality of lift pin drive arms 12A for urging the lift pin 13 upward from below.
  • the elevating sleeve 12B is shared between the preheating ring position changing mechanism 12 and the urging mechanism of the lift pin 13, and the number of parts can be reduced.
  • Each lift pin drive arm 12A extends in the radial direction of the susceptor 9 while the tip side is inclined upward (in the illustrated example, three lift pin drive arms 12A are arranged around the central axis of the susceptor 9 at equal angular intervals. Has been). Further, each tip portion of the lift pin drive arm 12A is wider than the base end side portion, and a lift plate 12C facing the lower end surface and the lower side of the lift pin 13 is formed.
  • the elevating sleeve 12B When the elevating sleeve 12B is relatively close to the lower surface of the susceptor 9 along the rotary shaft member 15, the lift pin 13 is urged upward by the lift plate 12C of the lift pin drive arm 12A. As a result, the substrate W on the susceptor 9 is pushed up from below by the lift pin 13 and lifted up, and the substrate W after forming the silicon single crystal thin film can be easily recovered.
  • the elevating sleeve 12B fixed in the height direction, the susceptor 9 and the rotary shaft member 15 (and the motor 40 and the air cylinder 41) are integrally retracted by another air cylinder (not shown) or the like. It is also possible to lower the susceptor 9 and urge the lift pin 13 by causing the susceptor 9 to be lowered.
  • the substrate W is set on the susceptor 9, and after performing pretreatment such as removal of a natural oxide film as necessary, the susceptor 9 is driven by driving the air cylinder 41 of the susceptor position changing mechanism 39.
  • the height direction position of (and the substrate W supported by the substrate W) is set to either the susceptor side first position P1 shown in FIG. 1 or the susceptor side second position P2 shown in FIG.
  • the height dimension of the raw material gas flow space 5A becomes the first dimension h where the flow velocity of the raw material gas is small in the setting of the first position P1 (FIG. 1) on the susceptor side, and the second position P2 on the susceptor side (FIG. 6).
  • the height direction position of the preheating ring 32 is the corresponding ring side first position when the susceptor side first position P1 (FIG. 1) is set.
  • the susceptor side second position P2 (FIG. 6) is set at the position P1', it is set at the corresponding ring side second position P2', respectively.
  • the position of the upper surface of the preheating ring 32 is adjusted so as to be substantially flush with the main surface (upper surface) of the substrate W on the susceptor 9.
  • the substrate W is heated to a predetermined reaction temperature by the infrared heating lamp 11 while rotating the substrate W, and the raw material gas G is introduced into the reaction vessel main body 2 from the gas introduction port 21.
  • the raw material gas G flows toward the outer peripheral surface of the liner base 31 of the lower liner 29.
  • the gas flow that hits the outer peripheral surface of the liner base 31 rides on the upper surface of the liner movable portion 33, flows along the main surface of the substrate W through the upper surface of the preheating ring 32, and is discharged from the gas discharge port 22.
  • a silicon single crystal thin film EL grows epitaxially on the main surface PP of the substrate W.
  • the setting position shown in FIG. 1 is a semiconductor, for example, when the demand for flatness of the main surface of the epitaxial wafer in which the element is embedded is particularly strict. This is convenient when you want to keep the growth rate of the single crystal layer low.
  • the setting positions of the susceptor 9 and the preheating ring 32 shown in FIG. 6 are convenient for increasing the growth rate of the semiconductor single crystal layer and improving the production efficiency. Further, in this set position, since the susceptor 9 is closer to the infrared heating lamp 11, the heating rate when heating the substrate W to the target temperature is increased, and the heating sequence can be shortened. .. Further, the increase in the gas filling rate of the raw material gas flow space 5A also contributes to the improvement of the temperature rising rate of the substrate W.
  • the upper surface position of the preheating ring 32 is aligned with the main surface (upper surface) of the substrate W on the susceptor 9, so that the preheating ring 32 is applied to the outer peripheral portion of the substrate W. It is possible to effectively reduce the influence of insufficient heat equalization effect and turbulence of the raw material gas flow caused by the step between the main surface of the substrate W and the preheating ring 32, and thus the influence on the film thickness variation of the obtained silicon single crystal layer. Can be reduced.
  • the vapor phase growth apparatus 1 is configured as a cold wall type vapor phase growth apparatus.
  • Patent Document 3 describes the flow velocity of the raw material gas. It is suggested that the increase may suppress the accumulation of silicon deposits, which are reaction products, on the inner wall of the quartz glass forming the reaction vessel body 2 during epitaxial growth.
  • silicon deposits on the inner surface of the reaction vessel main body 2 are set. Accumulation may also be effectively suppressed.
  • the above effect is due to the accumulation of silicon deposits, for example, when SiH 2 Cl 2 (dichlorosilane S) is used as the silicon source gas and epitaxial growth is performed at high temperature (for example, 1150 ° C.) and reduced pressure (for example, 60 Torr). It is considered to be particularly remarkable when easy conditions are adopted.
  • SiH 2 Cl 2 dichlorosilane S
  • FIG. 8 is a block diagram showing an electrical configuration of the control system of the vapor phase growth apparatus 1.
  • the control system is configured with the control computer 70 as the control subject.
  • the control computer 70 includes a CPU 71, a ROM 72 (program storage unit) that stores the control program 72a, a RAM 73 that serves as a work memory when the CPU 71 executes the control program 72a, and an input / output unit 74 that electrically inputs and outputs control information. Etc. are connected to each other by the internal bus 75 (data bus + address bus).
  • Each drive element of the vapor phase growth apparatus 1 shown in FIG. 1 is connected to the control computer 70 as follows.
  • the infrared heating lamp 11 is connected to the input / output unit 74 via the lamp control circuit 11c. Further, a temperature sensor 15B for detecting the substrate temperature is connected to the input / output unit 74.
  • Each of the gas flow rate regulators 52 and 54 has a flow rate detection unit and a built-in valve (not shown), and by being connected to the input / output unit 74, it receives an instruction from the control computer 70 and is on each pipe.
  • the raw material gas is continuously variably controlled by the built-in valve.
  • the motor 40 that drives the susceptor 9 is connected to the input / output unit 74 via the servo control unit 40c.
  • the servo control unit 40c monitors the rotation speed of the motor 40 based on the pulse input from the pulse generator 40p (rotation sensor) attached to the output shaft of the motor 40, and outputs the rotation speed instruction value from the control computer 70. With reference to this, drive control is performed so that the rotational speed of the motor 40 (and thus the susceptor 9) is kept constant.
  • the air cylinder 41 for raising and lowering the susceptor 9 is connected to the input / output unit 74 via the cylinder driver 41c
  • the air cylinder 42 for raising and lowering the preheating ring 32 is connected to the input / output unit 74 via the cylinder driver 42c.
  • the screw shaft drive units 81 and 82 described later shown by the alternate long and short dash line are unnecessary).
  • the infrared heating lamp is set according to the set values of the height direction position P of the susceptor and the height direction position P'of the preheating ring (that is, the height direction dimension of the raw material gas flow space 5A).
  • the output of 11 that is, the temperature of the substrate W at the time of film formation
  • the flow rate of the outer raw material gas G2 controlled by the gas flow rate regulator 52 and the flow rate of the inner raw material gas G1 controlled by the gas flow rate regulator 54.
  • the distribution of the gas flow resistance on the main surface of the substrate W may change in the radial direction.
  • the flow rate of the inner raw material gas G1 and the flow rate of the outer raw material gas G2 are constant, the flow velocity distribution and temperature distribution of the raw material gas distributed in the outer peripheral region of the main surface of the substrate W, and the inner circumference.
  • the flow velocity distribution (or temperature distribution) of the raw material gas distributed to the region also changes, and the film thickness distribution on the inner and outer circumferences of the formed silicon single crystal thin film becomes the value of the height of the raw material gas flow space 5A to be set. It may change accordingly.
  • the flow rate of the inner raw material gas G1 and the flow rate of the outer raw material gas G2 are changed and set according to the height setting value of the raw material gas flow space 5A. This may be advantageous in eliminating such defects.
  • the setting value table 72b referred to by the control program 72a is stored in the ROM 72 of the control computer 70.
  • the set value table 72b is set at a plurality of (two in this case) height holding positions (susceptor side first position P1 and susceptor side second position P2) that can be set for the susceptor 9.
  • Preheating ring holding position in height direction ring side first position P1'and ring side second position P2'
  • temperature T1, T2 flow rate F11, F12 (inside) and F21, F22 (outside), respectively.
  • the corresponding value is appropriately read out according to the set susceptor height value, and is stored in the corresponding memory in the RAM 73 for control.
  • the flow rate of the inner raw material gas G1, the flow rate of the outer raw material gas G2, and the substrate W at the time of film formation are not affected by the height value of the raw material gas flow space 5A.
  • the height direction position P of the susceptor is set, and in S102, the height direction position P'of the corresponding preheating ring is set.
  • the susceptor 9 and the preheating ring 32 are moved to the work receiving position.
  • the work receiving position can be set as, for example, the susceptor height (first position on the susceptor side P1: see FIG. 6) when the height of the raw material gas flow space 5A becomes large, as shown in FIG.
  • the work (board W) is transferred from the preparation chamber (not shown) of the vapor phase growth apparatus 1 and set in the susceptor 9.
  • the infrared heating lamp 11 is operated to heat the inside of the internal space 5 to a set temperature.
  • the air cylinders 41 and 42 are operated to move the susceptor and the preheating ring to the set height holding position. Then, the process proceeds to S107 to start the rotational drive of the susceptor 9, and in S108, the distribution of the raw material gas is started at the set flow rate. As a result, a silicon single crystal layer is formed on the substrate W, which is a work. This process is continued until the film formation is completed after a lapse of a predetermined time.
  • the process proceeds to S109, the susceptor 9 and the preheating ring 32 are moved to the work take-out position, and the work after film formation (that is, the silicon epitaxial wafer EW in FIG. 2) is taken out in S110.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the vapor phase growth apparatus 1 a single-leaf apparatus that manufactures a silicon epitaxial wafer by CVD (Chemical Vapor Deposition) is exemplified, but the manufacturing target is not limited to the silicon epitaxial wafer, for example, sapphire or the like. It is also possible to apply the present invention to an apparatus for epitaxially growing a compound semiconductor single crystal layer on a single crystal substrate such as silicon by MOVPE (Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy).
  • MOVPE Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy
  • the height holding position of the susceptor 9 (and by extension, the height dimension of the raw material gas flow space 5A) in the growth process of the silicon single crystal thin film can be selected and set to any of 3 or more predetermined values. It is also possible to set it so that it can hold an arbitrary position steplessly within a predetermined numerical range.
  • the elevating drive unit of the susceptor position changing mechanism 39 and the preheating ring position changing mechanism 12 may be configured by a well-known screw shaft mechanism driven by a servomotor instead of the air cylinders 41 and 42.
  • FIG. 11 shows an example of the screw shaft mechanism, in which the rotational output of the motor 91 is transmitted to the screw shaft 95 via the gears 93 and 94.
  • the screw shaft 95 is screwed into the nut portion 96 penetrating the base material BP (a concept generically referred to as the base materials BP1 and BP2 in FIG. 1), and is rotationally driven by the motor 91 to drive the susceptor 9 or the preheating ring 32.
  • the base material BP that supports the above is moved up and down so as to be able to hold an arbitrary height position.
  • Reference numeral 91s is a limit switch (origin detection unit) for detecting the origin position in the height direction of the base material BP.
  • the pair of the air cylinders 41, 42 and the cylinder drivers 41c, 42c are indicated by the alternate long and short dash lines, and the corresponding screw shaft drive portions 81 (for raising and lowering the susceptor) and 82 (for raising and lowering the preheating ring) are shown. Is replaced by.
  • These electrical structures are substantially identical, while being represented. That is, the motor 91 that drives the screw shaft 95 (FIG. 11) is connected to the input / output unit 74 via the servo control unit 91c. The servo control unit 91c rotationally drives the motor 91 in the downward direction with the initialization.
  • the base material BP urges the limit switch 91s the rotation of the motor 91 is stopped, and the counter for counting the pulse input from the pulse generator 91p (angle sensor) attached to the output shaft of the motor 91 is reset. ..
  • the target number of pulses is set according to the set values of the susceptor height and the preheating ring height from the control computer 70, and the motor 91 is driven in the ascending direction. Then, when the number of pulses counted by the counter reaches the target number of pulses, the rotation of the motor 91 is stopped. In this case, the set value table 72b of FIG.
  • FIG. 9 shows the values P1', P2', of the height direction position of the preheating ring corresponding to the values P1, P2, P3 ... Of the height direction position of the susceptor. It is configured to include the values of P3, ..., Temperature T1, T2, T3 ..., Flow rate F11, F12, F13 ... And F21, F22, F23, ....
  • FIG. 12 a modified example of the elevating and sliding portion of the preheating ring 32 illustrated in FIG. 3 will be described with reference to FIG. 12 (the same reference numerals are given to the components common to FIG. 3 and detailed description thereof will be omitted. do).
  • the liner base 31 of FIG. 3 is replaced with the liner base 131.
  • the liner base 131 is formed in a ring shape, and a sliding counterbore portion 131F is formed along the inner peripheral edge of the upper part.
  • the liner movable portion 33 in FIG. 3 is replaced with the liner movable portion 133.
  • the lower end side of the liner movable portion 133 is inserted into the sliding counterbore portion 131F of the liner base 131, and the outer peripheral surface is guided up and down along the inner peripheral surface of the sliding counterbore portion 131F. It has become.
  • the inner peripheral surface of the sliding counterbore portion 131F and the outer peripheral surface of the liner movable portion 133 are both cylindrical surfaces.
  • the preheating ring 32 is fitted into the first counterbore portion 133K so that the upper surface coincides with the upper surface of the liner movable portion 133. Further, the tip of the coupling assisting portion 35 is coupled to the connecting frame 134 fitted in the second counterbore portion 133L of the liner movable portion 133.
  • the outer peripheral surface of the liner movable portion 133 to which the preheating ring 32 is directly attached slides in the height direction while being guided by the inner peripheral surface of the liner base 131.
  • the effect of facilitating the horizontal maintenance of the preheating ring 32 when changing the holding position in the height direction of the preheating ring 32 is achieved as in the case of adopting the structure of FIG.
  • the sliding surface on the liner base 131 side with respect to the liner movable portion 133 is changed from the two inner peripheral surfaces of the groove portion 31g in FIG. 3 to a single inner peripheral surface of the sliding counterbore portion 133F.
  • Both the liner movable portion 133 and the liner base 131 have an advantage that the cross-sectional shape is significantly simplified as compared with the configuration of FIG. 3 and the processing becomes easy.

Abstract

サセプタの周囲に予熱リングを設けた気相成長装置において、サセプタ位置の変更により原料ガスの流速調整を可能とし、サセプタ位置変更に伴う半導体単結晶層の膜厚ばらつきへの影響を生じにくくする。サセプタ位置変更機構によりサセプタを昇降させ、反応容器本体内におけるサセプタの高さ方向保持位置を変更可能に構成する。また、サセプタの高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、予熱リングの昇降に基づき反応容器本体内における予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構を設ける。サセプタ保持位置が変更されても、予熱リングと基板との高さ方向における位置ずれを小さくできるので、予熱リングによる基板外周部分への均熱効果の不足や、基板主表面と予熱リングとの段差による原料ガス流の乱れの影響を効果的に低減でき、得られる半導体単結晶層の膜厚ばらつきへの影響を軽減することができる。

Description

気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法
　本発明は、単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させるための気相成長装置と、それを用いて実現されるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。
　単結晶基板上に半導体単結晶薄膜を形成したエピタキシャルウェーハ、例えばシリコン単結晶基板（以下、単に「基板」と略称する）の表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜（以下、単に「薄膜」と略称する）を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ－ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。近年、例えば直径が２００ｍｍないしそれ以上のエピタキシャルウェーハの製造においては、複数枚のウェーハをバッチ処理する方法に代えて、枚葉式気相成長装置が主流になりつつある。これは、反応容器内に１枚の基板を水平に回転保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを略水平かつ一方向に供給しながら薄膜を気相成長させるものである。一般的なシリコンエピタキシャルウェーハの製造に際して基板の加熱には、赤外線放射加熱、高周波誘導加熱あるいは抵抗加熱などの方式が用いられ、シリコン基板とサセプタは昇温するが反応容器の壁部の温度は低く保たれる、いわゆる、コールドウォールの環境を形成するようにしている。
　枚葉式気相成長装置においては、通常、ガス供給管を介して反応容器の一端部に形成されたガス導入口から原料ガスが供給され、基板主表面に沿って原料ガスが流れた後、容器他端側の排出口から排出される構造となっている。このような構造の装置によりエピタキシャルウェーハを製造する場合、基板主表面に沿った原料ガスの流速を増大させることが、シリコン単結晶薄膜の成長速度を増大させる上で有効であることが知られている。例えば、非特許文献１には、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する際に、サセプタ回転速度の上昇により、基板主表面と原料ガスとの相対速度を大きくすると、基板上に堆積するシリコン単結晶層の成長速度を増大できる旨開示されている。
　非特許文献１に開示された実験では、反応容器に供給する原料ガスの濃度及び流量は一定に設定されており、その状況下でサセプタ回転速度を上昇させた場合に、シリコン単結晶層の成長速度が増加する結果が示されている。また、非特許文献２には、上記のコールドウォール環境下においては、シリコン単結晶層を成長させる際の気相温度が上昇すると、原料ガス成分の輸送速度が律速する領域（すなわち、基板主表面上の拡散層）において、単結晶層の成長速度が低下することが熱力学的に示されている。
　すなわち、基板主表面のガス流速が増加すれば、基板主表面からの熱移動が促進され基板主表面の温度が下がるとともに、ガス流速増大により基板主表面の拡散層厚さが減少し、拡散層中の原料ガス成分の濃度勾配が増加する。これらの要因により、原料ガスからシリコン単結晶が生成される化学反応の効率が高められ、シリコン単結晶層の成長速度が増加すると考えられる。
特許第６０６８２５５号公報 特開２００５－１８３５１０号公報 特開２０１１－１６５９４８号公報
「４５０ｍｍφシリコンエピタキシャル成長速度の数値計算」：第７５回応用物理学会秋季学術講演会　講演予稿集（２０１４年秋　北海道大学）１９ａ－Ａ１９－１ 「Ｓｉエピタキシャル薄膜作製プロセスのシミュレーション」：Journal of the Vacuum Society of Japan, Vol.49 (2006), pp.525-529
　上記の考察から、枚葉式気相成長装置において、基板主表面の原料ガスの流速を増加させ、半導体単結晶層の成長速度を高めるには、原料ガス流通路となる基板主表面と反応容器の天井板下面との間の空間高さを縮小した構造を採用することが有効と考えられる。具体的には、半導体単結晶の成長工程において、基板を保持するサセプタの位置を高さ方向にて反応容器の天板下面に対し、より接近させた構造を採用することにより、上記の空間高さを縮小できる。
　一方、半導体単結晶層の成長速度が上昇すると、形成される半導体単結晶層の面内における膜厚分布幅は増加しやすくなる傾向となる。例えば、電子デバイスの微細化等に伴い、素子を作りこむエピタキシャルウェーハ主表面のフラットネスに対する要求が特に厳しくなる場合は、半導体単結晶層の成長速度を低く留めた方が好都合となることもある。この場合は、サセプタの位置を反応容器の天井板下面から離間させた構造、すなわち、原料ガス流通路となる基板主表面と反応容器の天井板下面との間の空間高さを増加させた構造を採用して、原料ガスの流速を下げることが有効と考えられる。
　例えば、特許文献１には、反応容器内にてサセプタ（及びサセプタカバー）を昇降させる機構を組み込んだ気相成長装置が開示されている。しかし、特許文献１においてサセプタを昇降させることの目的は、装置メンテナンス時の作業性を改善する点にあり、半導体単結晶層の成長時におけるサセプタ位置の変更により、原料ガスの流速を調整する技術思想については全く言及されていない。そして、原料ガスの流速調整を図るために、特許文献１と類似の機構を仮に採用したとしても、次のような問題を生じる。
　すなわち、枚葉式気相成長装置において基板上に形成される半導体単結晶層の膜厚分布は、基板主表面内の温度分布の影響を大きく受けることが知られており、特に、温度低下を起こしやすい基板外周縁部は、半導体単結晶層の膜厚が大きい側にばらつきやすい。これを防止するために枚葉式気相成長装置においては、基板外周縁部の均熱を図るために、サセプタの周囲に予熱リングが設けることが一般的に行われている。
　しかし、特許文献１の装置には上記の予熱リングが設けられておらず、仮に設けられていたとしても、反応容器内にてこの予熱リングの高さ方向位置が固定されていると、サセプタの高さ方向位置が変更されるに伴い、サセプタ上の基板と予熱リングとの、高さ方向における相対位置関係は大きく変動する。その結果、サセプタ保持位置の変更設定により、予熱リングと基板との高さ方向の位置ずれが大きくなった場合は、予熱リングによる基板外周部分への均熱効果が不足し、半導体単結晶層の膜厚ばらつきが大きくなることにつながる。また、基板主表面と予熱リングとの間には大きな段差が生ずることから、これを通過する際に原料ガスの流れに乱れが生じやすくなり、これも半導体単結晶層の膜厚ばらつきをもたらす要因となりえる。
　本発明の課題は、サセプタの周囲に予熱リングを設けた気相成長装置において、サセプタ位置の変更により原料ガスの流速調整を可能とし、かつ、サセプタ位置変更に伴う半導体単結晶層の膜厚ばらつきへの影響を生じにくくすることにある。
　本発明の気相成長装置は、単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持される単結晶基板の主表面に沿う方向に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、サセプタを取り囲むように予熱リングが配置される。そして、上記の課題を解決するために、さらに、サセプタに装着された単結晶基板の主表面と、反応容器本体の上部壁部下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定するために、サセプタの昇降に基づき反応容器本体内におけるサセプタの高さ方向保持位置を変更するサセプタ位置変更機構と、サセプタの高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、予熱リングの昇降に基づき反応容器本体内における予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構と、を備えたことを特徴とする。
　また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、該反応容器本体の内部空間にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に単結晶基板が略水平に回転保持されるようになっており、ガス導入口から反応容器本体内に導入される半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスが、単結晶基板の主表面に沿って流れた後、ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、サセプタを取り囲むように予熱リングが配置され、さらに、サセプタに装着された単結晶基板の主表面と、反応容器本体の上部壁部下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定するために、サセプタの昇降に基づき反応容器本体内におけるサセプタの高さ方向保持位置を変更するサセプタ位置変更機構と、サセプタの高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、予熱リングの昇降に基づき反応容器本体内における予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構と、を備えた気相成長装置の反応容器本体内に単結晶基板を配置し、該反応容器本体内に原料ガスを流通させて単結晶基板上に半導体単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。
　本発明の気相成長装置において、予熱リング位置変更機構は、サセプタの高さ方向保持位置が変更されるに伴い、サセプタ上の単結晶基板の主表面と予熱リングの上面が一致するように予熱リングの高さ方向保持位置を変更するように構成することが望ましい。
　また、サセプタ位置変更機構は、サセプタの高さ方向保持位置を、原料ガス流通空間の高さ方向寸法が第一寸法となるサセプタ側第一位置と、原料ガス流通空間の高さ方向寸法が第一寸法よりも小さい第二寸法となるサセプタ側第二位置との間で変更するように構成できる。この場合、予熱リング位置変更機構は予熱リングの高さ方向保持位置を、サセプタ側第一位置及びサセプタ側第二位置に各々対応するリング側第一位置とリング側第二位置との間で変更するように構成できる。
　サセプタは、例えば、該サセプタの下面に上端が結合される回転軸部材を介して回転駆動されるものである。この場合、サセプタ位置変更機構は、サセプタを回転軸部材とともに昇降させるように構成される。予熱リング位置変更機構は、回転軸部材の回転駆動を許容しつつ、回転軸部材の外側に同軸的かつ回転軸部材の軸線に沿って昇降可能に配置される昇降スリーブと、該昇降スリーブと予熱リングとを結合する結合部材と、昇降スリーブと結合部材とを一体的に昇降駆動する昇降駆動部とを備えるものとして構成できる。
　また、本発明の気相成長装置においては、サセプタ上の半導体基板を下側から突き上げる形でリフトアップさせるリフトピンを、下端側をサセプタから下向きに突出させる形で設けることができる。この場合、リフトピンを下方から上向きに付勢するためのリフトピン駆動アームの基端側を昇降スリーブに結合する構成を採用できる。
　本発明の気相成長装置において、反応容器本体内においてサセプタの周囲には、環状に形成されるとともに外周面がガス導入口に臨む位置に配置された下部ライナと、該下部ライナの上方に対向する形で配置され、ガス導入口から供給されるとともに下部ライナの外周面に当たって周方向に分散しながら該下部ライナを乗り越える原料ガスの流れを、サセプタ上の単結晶基板の主表面上に誘導する上部ライナとを設けることができる。また、下部ライナは、外周面を形成するとともに反応容器本体に対し上下方向位置が固定に取り付けられるライナベースと、上面に予熱リングが取り付けられライナベースに対し予熱リングとともに上下方向に摺動可能に取り付けられるライナ可動部とを備えるものとして構成できる。この場合、ライナ可動部と、昇降スリーブに一端が結合され他端がライナ可動部に結合される結合補助部とが前述の結合部材を構成する。
　該構成において予熱リングは、例えば、上面がライナ可動部の上面と一致するようにライナ可動部に取り付けることができる。また、ライナ可動部は、ライナベースの上面に開口するとともに該ライナベースの周方向に沿って刻設された溝部に基端側が挿入され、溝部内を上下に摺動する筒状の摺動部と、摺動部の上端縁から半径方向内向きに延出するフランジ部とを備え、予熱リングはフランジ部の上面に取り付けることができる。
　本発明の気相成長装置は、サセプタ位置変更機構によりサセプタを昇降させることで、反応容器本体内におけるサセプタの高さ方向保持位置を変更可能に構成した。サセプタ位置の変更により、サセプタに装着された単結晶基板の主表面と、反応容器本体の上部壁部下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定でき、単結晶基板上に半導体単結晶層を成長する際の原料ガスの流速、ひいては半導体単結晶層の調整が可能となる。
　そして、本発明においては、サセプタの高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、予熱リングの昇降に基づき反応容器本体内における予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構を設けている。これにより、サセプタ保持位置が変更されても、予熱リングと基板との高さ方向における位置ずれを小さくできるので、予熱リングによる基板外周部分への均熱効果の不足や、基板主表面と予熱リングとの段差による原料ガス流の乱れの影響を効果的に低減でき、ひいては得られる半導体単結晶層の膜厚ばらつきへの影響を軽減することができる。
本発明の気相成長装置の一例を示す側面断面図。 シリコンエピタキシャルウェーハの模式図。 図１の気相成長装置における予熱リングの昇降摺動部分の一例を示す側面断面図。 図１の気相成長装置のリフトピン駆動機構を取出して示す斜視図。 予熱リングを昇降させる結合補助部の配設形態の一例を示す平面図。 図１の気相成長装置の動作説明図。 図１の気相成長装置の平面模式図。 図１の気相成長装置の制御システムのブロック図。 設定値テーブルの模式図。 図８の制御システムにおける、制御プログラムの処理の流れの一例を示すフローチャート。 ねじ軸機構の一例を示す模式図。 予熱リングの昇降摺動部分の変形例を示す側面断面図。
　以下、本発明を実施するための形態を添付の図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明に係る気相成長装置１の一例を模式的に示す側面断面図である。この気相成長装置１は、図２に示すように、シリコン単結晶基板Ｗの主表面（上面）ＰＰにシリコン単結晶薄膜ＥＬを気相成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷを製造するためのものである。図１に示すように、気相成長装置１は、水平方向における第一端部側にガス導入口２１が形成され、同じく第二端部側にガス排出口２２が形成された反応容器本体２を有する。薄膜形成のための原料ガスＧは、ガス導入口２１から反応容器本体２内に導入され、該反応容器本体２の内部空間５にて略水平に回転保持されるシリコン単結晶基板Ｗ（以下、単に「基板Ｗ」ともいう）の主表面に沿って流れた後、ガス排出口２２から排出されるように構成されている。反応容器本体２は、全体が内部の他の構成部材とともに石英及びステンレス鋼等の金属材料により形成され、本体下部３及び本体上部４とに分割された構造を有する。また、内部空間５は、天井板４Ｃを本体上部４が区画する原料ガス流通空間５Ａと、本体下部３が区画する機器配置空間５Ｂとからなる。
　図７は気相成長装置１の構成を模式的に示す平面図である。図１のガス導入口２１は、水平方向に配列する複数のガス導入口２１Ａ，２１Ｂからなる。原料ガスＧは、ガス配管５０を経てガス導入口２１Ａ，２１Ｂから内部空間５に導かれる。本実施形態では、ガス配管５０は内側配管５３と外側配管５１とに分岐し、各々原料ガスの流量を、ガス流量調整器５２，５４により調整できるようにしている。内側配管５３は内側ガス導入口２１Ａを開口している。また、外側配管５１は、分岐配管５５，５５にさらに分れ、それぞれ外側ガス導入口２１Ｂ，２１Ｂを開口している。ガス導入口２１Ａからの原料ガスＧ１は基板Ｗの中央部をなす領域に、ガス導入口２１Ｂからの原料ガスＧ２は左右両端の領域にそれぞれ供給された後、ガス排出口２２にて集約され、ガス排出配管６０へ排出される。
　原料ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）は、上記の基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６等のシリコン化合物の中から選択される。原料ガスＧには、ドーパンドガスとしてのＢ２Ｈ６あるいはＰＨ３や、希釈ガスとしてのＨ２、Ｎ２、Ａｒ等が適宜配合される。また、薄膜の気相成長処理に先立って基板前処理（例えば自然酸化膜や付着有機物の除去処理）を行う際には、ＨＣｌ、ＨＦ、ＣｌＦ３、ＮＦ３等から適宜選択された腐蝕性ガスを希釈ガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器本体２内に供給する処理を行なうか、又は、Ｈ２雰囲気中で高温熱処理を施す。
　図１において、反応容器本体２の内部空間５には、垂直な回転軸線Ｏの周りにモータ４０により回転駆動される円盤状のサセプタ９が配置され、その上面に形成された浅い座ぐり９Ｂ（図４参照）内に、図２のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷを製造するための基板Ｗが１枚のみ配置される。すなわち、該気相成長装置１は水平枚葉型気相成長装置として構成されている。基板Ｗは、例えば直径が１００ｍｍあるいはそれ以上のものである。また、図１に示すように、基板Ｗの配置領域に対応して反応容器本体２の上下には、基板加熱のための赤外線加熱ランプ１１が所定間隔にて配置されている。また、反応容器本体２内には、サセプタ９を取り囲むように予熱リング３２が配置されている。サセプタ９に装着された基板Ｗの主表面と、反応容器本体２の天井板４Ｃの下面との間には、前述の原料ガス流通空間５Ａが形成される。
　サセプタ９は、該サセプタ９の下面に上端が結合される回転軸部材１５を介して、モータ４０により回転駆動される。回転軸部材１５の先端位置には、複数のサセプタ支持アーム１５Ｄの基端部が結合されている。各サセプタ支持アーム１５Ｄは、先端側が上方に傾斜しつつサセプタ９の半径方向に延び、各々先端部が結合ピン１５ｃによりサセプタ９の下面外周縁領域に結合されている。
　気相成長装置１には、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法を変更設定するためのサセプタ位置変更機構３９が設けられている。サセプタ位置変更機構３９は、サセプタ９の昇降に基づき反応容器本体２内におけるサセプタ９の高さ方向保持位置を変更するためのものである。サセプタ位置変更機構３９は、サセプタ９を回転軸部材１５（及びモータ４０）とともに昇降させるように構成され、本実施形態ではその昇降駆動部をエアシリンダ４１（電動シリンダでもよい）にて構成している。エアシリンダ４１のシリンダロッドの先端は、基材ＢＰ１を介して回転軸部材１５及びモータ４０を含むサセプタアセンブリに結合されている。
　シリコン単結晶薄膜の成長工程におけるサセプタ９の高さ方向保持位置は、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法ｄが、図１に示す第一寸法ｈとなるサセプタ側第一位置（図６：エアシリンダ４１のロッド後退位置Ｐ１に対応：以下、サセプタ側第一位置Ｐ１とも記載する）と、図６に示す第二寸法ｈ’（第一寸法ｈよりも小さい）となるサセプタ側第二位置（エアシリンダ４１のロッド前進位置Ｐ２に対応：以下、サセプタ側第二位置Ｐ２とも記載する）とのいずれかに選択的に設定される。この構成では、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法について設定変更可能な値が、第一寸法ｈ及び第二寸法ｈ’の２種類に限定されるが、昇降駆動部の構成は大幅に簡略化できる利点がある。
　次に、図１の気相成長装置１には、予熱リング位置変更機構１２が設けられている。予熱リング位置変更機構１２は、サセプタ９の高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、予熱リング３２の昇降に基づき反応容器本体２内における予熱リング３２の高さ方向保持位置を変更するためのものである。本実施形態において予熱リング位置変更機構１２は、回転軸部材１５ひいてはサセプタ９の回転駆動を許容しつつ、回転軸部材１５の外側に同軸的かつ回転軸部材１５の軸線に沿って、回転軸部材１５に対し相対的に昇降可能に配置される昇降スリーブ１２Ｂと、該昇降スリーブ１２Ｂと予熱リング３２とを結合する結合部材（ライナ可動部３３と＋結合補助部３５：後述）と、昇降スリーブ１２Ｂと結合部材とを一体的に昇降駆動する昇降駆動部（エアシリンダ４２）とを備える。この構成によると、予熱リング３２を昇降駆動するための基部は、昇降スリーブ１２Ｂの形で回転軸部材１５の周囲に集約することができ、ひいては反応容器本体２内におけるサセプタ９下方の限られた空間（機器配置空間５Ｂ）内にて予熱リング位置変更機構１２をコンパクトに構成することが可能となる。
　また、図１に示すように、反応容器本体２内においてサセプタ９の周囲には、外周面がガス導入口２１に臨む位置に配置された環状の下部ライナ２９が設けられている。また、該下部ライナ２９の上方に対向する形で環状の上部ライナ３０が設けられている。ガス導入口２１から供給された原料ガスＧは、下部ライナ２９の外周面に当たって周方向に分散しながら該下部ライナ２９を乗り越える形で流れようとする。上部ライナ３０は、この原料ガスＧの流れを、サセプタ９上のシリコン単結晶基板Ｗの主表面上に誘導する役割を果たす。
　下部ライナ２９は、ライナベース３１とライナ可動部３３とを備える。ライナベース３１は、反応容器本体２に対し上下方向位置が固定に取り付けられる。また、ライナ可動部３３は、上面に予熱リング３２が取り付けられ、ライナベース３１に対し予熱リング３２とともに上下方向に摺動可能に取り付けられる。ライナベース３１は、ガス導入口２１から供給される原料ガスＧの流れを受け止める前述の外周面を形成する。そして、前述の結合部材は、ライナ可動部３３と、昇降スリーブ１２Ｂに一端が結合され他端がライナ可動部３３に結合される結合補助部３５とにより構成される。図１において結合補助部３５は、基端側が昇降スリーブ１２Ｂに結合され、先端側がライナ可動部３３に結合されるアーム状に形成されている。結合補助部３５は、例えば図５に示すように、昇降スリーブ１２Ｂの中心軸線回りに複数（図５の構成では４本）設けられている。なお、図５においては、サセプタ９及び予熱リング３２を省略して描いている。
　図３に拡大して示すように、ライナ可動部３３は、筒状の摺動部３３Ａと、該摺動部３３Ａの上端縁から半径方向内向きに延出するフランジ部３３Ｂとを備える。一方、ライナベース３１には、該ライナベース３１の上面に開口するとともに周方向に沿う形で溝部３１ｇが刻設されている。ライナ可動部３３の摺動部３３Ａは、該溝部３１ｇに下端側が挿入され、溝部３１ｇ内を上下に摺動するようになっている。また、予熱リング３２はフランジ部３３Ｂの上面に取り付けられている。上記の構造では、予熱リング３２が直接取り付けられるライナ可動部３３の摺動部３３Ａが、ライナベース３１の溝部３１ｇに嵌合しつつその内部を高さ方向に摺動することで、予熱リング３２の高さ方向保持位置を変更する際に、予熱リング３２の水平を維持しやすくなる。
　図１に示すように、予熱リング位置変更機構１２は、本実施形態ではその昇降駆動部をエアシリンダ４２にて構成している。エアシリンダ４２のシリンダロッドの先端は、基材ＢＰ２を介してライナ可動部３３に結合されている。予熱リング位置変更機構１２は、予熱リング３２の高さ方向位置を、図１に示すサセプタ側第一位置（図６：符号Ｐ１参照）に対応する、リング側第一位置（図６：エアシリンダ４２のロッド後退位置Ｐ１’参照：以下、リング側第一位置Ｐ１’とも記載する）と、図６に示すサセプタ側第二位置（図６：符号Ｐ２参照）に対応するリング側第二位置（図６：ロッド前進位置Ｐ２’に対応：：以下、リング側第二位置Ｐ２’とも記載する）との間で変更する。これにより、予熱リング位置変更機構１２の昇降駆動部の構成もまた大幅に簡略化することができる。
　本実施形態では、予熱リング位置変更機構１２は、図１及び図３に示すように、サセプタ９の高さ方向保持位置が変更されるに伴い、サセプタ９上のシリコン単結晶基板Ｗの主表面と予熱リング３２の上面が一致するように予熱リング３２の高さ方向保持位置を変更するように構成されている。予熱リング３２の高さ方向保持位置が変更される場合も、予熱リング３２の上面を、サセプタ９上のシリコン単結晶基板Ｗの主表面と一致させることで、基板主表面と予熱リング３２との間に段差が生じなくなり、これを通過する際の原料ガス流れの乱れを効果的に抑制できる。
　図３に示すように、予熱リング３２は、上面がライナ可動部３３の上面と一致するようにライナ可動部３３に取り付けられている。これにより、予熱リング３２とライナ可動部３３（下部ライナ）の各上面同士にも段差が生じなくなり、原料ガス流れの乱れをより効果的に抑制できる。本実施形態では、予熱リング３２はライナ可動部３３に対し、フランジ部３３Ｂの上面内周縁に沿って形成された座ぐり部３３Ｋにはめ込まれる形で取り付けられている。
　次に、図１に示すように、サセプタ９には、該サセプタ９上の基板Ｗを下側から突き上げる形でリフトアップさせるリフトピン１３が、下端側をサセプタ９から下向きに突出させる形で設けられている。図４は、リフトピン駆動機構を取出して示す斜視図である（結合補助部３５などの予熱リング３２の昇降に関係する部分は省略して描いている）。サセプタ９の座ぐり９Ｂの底部外周縁部には、該底部を上下に貫く形でリフトピンの挿通孔１４が周方向に複数形成されている。リフトピン１３の上端部は基端側よりも径大の頭部とされ、挿通孔１４の上端部はリフトピン１３の頭部に合わせて拡径された座ぐり部となっている。リフトピン１３の頭部下面が挿通孔１４の座ぐり部の底面に当たることで、サセプタ９からのリフトピンの脱落が阻止される。
　また、前述の昇降スリーブ１２Ｂには、リフトピン１３を下方から上向きに付勢するための複数のリフトピン駆動アーム１２Ａの各基端側が結合されている。この構成により、昇降スリーブ１２Ｂは予熱リング位置変更機構１２とリフトピン１３の付勢機構との間で共用化され、部品点数の削減を図ることができる。
　各リフトピン駆動アーム１２Ａは、先端側が上方に傾斜しつつサセプタ９の半径方向に延びている（図示の例では、リフトピン駆動アーム１２Ａは、サセプタ９の中心軸線回りに等角度間隔にて３つ配置されている）。また、リフトピン駆動アーム１２Ａの各先端部は基端側部分よりも拡幅されるとともに、リフトピン１３の下端面と下側に対向するリフトプレート１２Ｃが形成されている。
　回転軸部材１５に沿って昇降スリーブ１２Ｂがサセプタ９の下面に対し相対的に接近すると、リフトピン駆動アーム１２Ａのリフトプレート１２Ｃによりリフトピン１３が上方に付勢される。これにより、サセプタ９上の基板Ｗはリフトピン１３により下側から突き上げられてリフトアップされ、シリコン単結晶薄膜を形成後の基板Ｗを容易に回収することができる。なお、昇降スリーブ１２Ｂの高さ方向位置を固定した状態で、サセプタ９及び回転軸部材１５（及び、モータ４０及びエアシリンダ４１）を、別のエアシリンダ（図示せず）等により一体的に後退させることでサセプタ９を下降させ、リフトピン１３の付勢を行なうことも可能である。
　以下、上記気相成長装置１の作用について説明する。
　図１に示すように、サセプタ９上に基板Ｗをセットし、必要に応じ自然酸化膜除去等の前処理を行った後、サセプタ位置変更機構３９のエアシリンダ４１を駆動することで、サセプタ９（及びこれに支持される基板Ｗ）の高さ方向位置を、図１に示すサセプタ側第一位置Ｐ１又は図６に示すサセプタ側第二位置Ｐ２のいずれか設定する。これに伴い、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法は、サセプタ側第一位置Ｐ１（図１）の設定では原料ガスの流速が小さい第一寸法ｈとなり、サセプタ側第二位置Ｐ２（図６）の設定では原料ガスの流速が大きい第二寸法ｈ’（＜ｈ）となる。
　さらに、予熱リング位置変更機構１２のエアシリンダ４２を駆動することで、予熱リング３２の高さ方向位置は、サセプタ側第一位置Ｐ１（図１）が設定される場合は対応するリング側第一位置Ｐ１’に、サセプタ側第二位置Ｐ２（図６）が設定される場合は対応するリング側第二位置Ｐ２’に、それぞれ設定される。いずれの場合も予熱リング３２の上面位置は、サセプタ９上の基板Ｗの主表面（上面）とほぼ面一となるように合わせ込まれる。
　この状態で、基板Ｗを回転させながら赤外線加熱ランプ１１により所定の反応温度に加熱して、ガス導入口２１から反応容器本体２内に原料ガスＧを導入する。原料ガスＧは、下部ライナ２９のライナベース３１の外周面に向けて流れる。ライナベース３１の外周面に当たったガス流は、ライナ可動部３３の上面に乗り上げ、予熱リング３２の上面を経て基板Ｗの主表面に沿って流れ、ガス排出口２２から排出される。この過程において、図２に示すように、基板Ｗの主表面ＰＰ上にはシリコン単結晶薄膜ＥＬがエピタキシャル成長する。
　ここで、気相成長装置１のような枚葉式気相成長装置においては、図１に示す設定位置は、例えば素子を作りこむエピタキシャルウェーハ主表面のフラットネスに対する要求が特に厳しい場合など、半導体単結晶層の成長速度を低く留めたい場合に好都合である。他方、図６に示すサセプタ９及び予熱リング３２の設定位置は、半導体単結晶層の成長速度を高め、生産効率の向上を図る上で好都合となる。また、この設定位置であれば、サセプタ９が赤外線加熱ランプ１１に対してより接近するため、基板Ｗを目標温度まで加熱する際の昇温速度が高められ、加熱シーケンスの短縮を図ることができる。また、原料ガス流通空間５Ａのガス充填速度が増加することも、基板Ｗの昇温速度向上に寄与する。
　そして、すでに説明した通り、いずれの条件においても、予熱リング３２の上面位置が、サセプタ９上の基板Ｗの主表面（上面）に合わせ込まれるので、予熱リング３２による基板Ｗの外周部分への均熱効果の不足や、基板Ｗの主表面と予熱リング３２との段差に由来した原料ガス流の乱れの影響を効果的に低減でき、ひいては得られるシリコン単結晶層の膜厚ばらつきへの影響を軽減することができる。
　なお、気相成長装置１はコールドウォール型の気相成長装置として構成されているが、このようなコールドウォール型の気相成長装置を採用する場合、特許文献３には、原料ガスの流速を増大させることで、エピタキシャル成長中に、反応容器本体２を形成する石英ガラスの内壁への、反応生成物であるシリコン堆積物の蓄積を抑制できる可能性が示唆されている。本発明の構成に基づき、例えば図６のように、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法を縮小設定し原料ガスの流速を増大させることで、反応容器本体２の内面へのシリコン堆積物の蓄積もまた、効果的に抑制できる可能性がある。上記の効果は、例えばシリコンソースガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロロシランＳ）を用い、高温（たとえば１１５０℃）かつ減圧（たとえば６０Ｔｏｒｒ）でのエピタキシャル成長を実施する場合など、シリコン堆積物の蓄積が生じやすい条件が採用される場合に、特に顕著に発揮されると考えられる。
　以下、気相成長装置１の制御形態の一例について説明する。図８は、気相成長装置１の制御システムの電気的構成を示すブロック図である。該制御システムは制御用コンピュータ７０を制御主体とする形で構成されている。制御用コンピュータ７０はＣＰＵ７１、制御プログラム７２ａを格納したＲＯＭ７２（プログラム記憶部）、ＣＰＵ７１が制御プログラム７２ａを実行する際のワークメモリとなるＲＡＭ７３、制御情報の電気的な入出力を行なう入出力部７４などを、内部バス７５（データバス＋アドレスバス）により相互に接続した構造をなす。
　図１に示す気相成長装置１の各駆動要素は、制御用コンピュータ７０に以下のようにして接続されている。赤外線加熱ランプ１１は、ランプ制御回路１１ｃを介して入出力部７４に接続される。また、基板温度を検出するための温度センサ１５Ｂが入出力部７４に接続される。ガス流量調整器５２，５４は、いずれも流量検出部及び内蔵バルブ（図示せず）を有し、入出力部７４に接続されることで、制御用コンピュータ７０からの指示を受け、各配管上の原料ガスを上記内蔵バルブにより連続可変に制御する。
　サセプタ９を駆動するモータ４０はサーボ制御部４０ｃを介して入出力部７４に接続される。サーボ制御部４０ｃは、モータ４０の出力軸に取り付けられたパルスジェネレータ４０ｐ（回転センサ）からのパルス入力に基づき、モータ４０の回転速度をモニタリングするとともに、制御用コンピュータ７０からの回転速度指示値を参照してモータ４０（ひいてはサセプタ９）の回転速度が一定に保たれるように駆動制御を行なう。また、サセプタ９を昇降駆動するエアシリンダ４１はシリンダドライバ４１ｃを介して、予熱リング３２を昇降駆動するエアシリンダ４２はシリンダドライバ４２ｃを介して、それぞれ入出力部７４に接続される（なお、エアシリンダ４１，４２が組み込まれる構成では、一点鎖線で示す後述のねじ軸駆動部８１，８２は不要である）。
　なお、本実施形態では、設定されるサセプタの高さ方向位置Ｐ及び予熱リングの高さ方向位置Ｐ’（すなわち、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法）の設定値に応じ、赤外線加熱ランプ１１の出力（すなわち、成膜時の基板Ｗの温度）、ガス流量調整器５２が制御する外側の原料ガスＧ２の流量、及びガス流量調整器５４が制御する内側の原料ガスＧ１の流量を、それぞれ適宜変更設定する場合を例にとる。
　図１において原料ガス流通空間５Ａの高さが変化すると、基板Ｗの主表面上のガス流通抵抗は半径方向の分布が変化する可能性がある。図７において、内側の原料ガスＧ１の流量と外側の原料ガスＧ２の流量とを一定にした場合、基板Ｗの主表面の外周領域に分配される原料ガスの流速分布及び温度分布、ならびに内周領域に分配される原料ガスの流速分布（あるいは、温度分布）も変化し、形成されるシリコン単結晶薄膜の内外周の膜厚分布が、設定される原料ガス流通空間５Ａの高さの値に応じて変化してしまう可能性がある。上記のように、内側の原料ガスＧ１の流量と外側の原料ガスＧ２の流量（さらには成膜時の基板Ｗの温度）を、原料ガス流通空間５Ａの高さ設定値に応じて変更設定することは、こうした不具合を解消する上で有利となる可能性がある。
　本実施形態では、図８に示すように、制御用コンピュータ７０のＲＯＭ７２に、制御プログラム７２ａが参照する設定値テーブル７２ｂが記憶されている。この設定値テーブル７２ｂは、図９に示すように、サセプタ９に対し設定可能な複数（ここでは２つ）の高さ方向保持位置（サセプタ側第一位置Ｐ１及びサセプタ側第二位置Ｐ２）にそれぞれ対応付けられた、予熱リングの高さ方向保持位置（リング側第一位置Ｐ１’及びリング側第二位置Ｐ２’）、温度Ｔ１、Ｔ２、流量Ｆ１１，Ｆ１２（内側）及びＦ２１，Ｆ２２（外側）の各値を含むものであり、設定されるサセプタ高さの値に応じて対応する値が適宜読み出され、ＲＡＭ７３内の対応するメモリ内に格納される形で制御に使用される。ただし、該不具合発生に対する懸念が小さい場合は、原料ガス流通空間５Ａの高さの値によらず、内側の原料ガスＧ１の流量、外側の原料ガスＧ２の流量、さらには成膜時の基板Ｗの温度について、その一部又は全てを一定の適正値に設定することももちろん可能である。
　制御プログラム７２ａによる気相成長装置１の動作の流れの一例を、図１０により説明する。Ｓ１０１ではサセプタの高さ方向位置Ｐを設定し、Ｓ１０２では対応する予熱リングの高さ方向位置Ｐ’を設定する。Ｓ１０３では、サセプタ９及び予熱リング３２をワーク受入れ位置に移動する。ワーク受入れ位置は、例えば図１に示す、原料ガス流通空間５Ａの高さが大きくなる場合のサセプタ高さ（サセプタ側第一位置Ｐ１：図６参照）として設定することが可能である。Ｓ１０４では、気相成長装置１の図示しない準備チャンバからワーク（基板Ｗ）を移送し、サセプタ９にセットする。Ｓ１０５では、赤外線加熱ランプ１１を作動させて内部空間５内を設定温度に加熱する。Ｓ１０６では、エアシリンダ４１，４２を作動させ、サセプタ及び予熱リングを設定された高さ方向保持位置に移動する。そして、Ｓ１０７に進んでサセプタ９の回転駆動を開始し、Ｓ１０８では設定流量にて原料ガスの流通を開始する。これにより、ワークである基板Ｗ上にはシリコン単結晶層が成膜される。この処理は所定時間の経過により成膜が完了するまで継続される。成膜が完了すればＳ１０９に進み、サセプタ９及び予熱リング３２をワーク取出し位置に移動し、Ｓ１１０で成膜後のワーク（すなわち、図２のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷ）が取り出される。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では気相成長装置１として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)によりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する枚葉式装置を例示したが、製造対象物はシリコンエピタキシャルウェーハに限らず、例えばサファイアやシリコンなどの単結晶基板上に化合物半導体単結晶層をＭＯＶＰＥ(Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy）によりエピタキシャル成長させる装置に本発明を適用することも可能である。
　また、シリコン単結晶薄膜の成長工程におけるサセプタ９の高さ方向保持位置（ひいては、原料ガス流通空間５Ａの高さ方向寸法）は、予め定められた３以上の値のいずれかに選択設定できるように構成することもできるし、予め定められた数値範囲内にて無段階かつ任意の位置を保持可能に設定することも可能である。この場合は、サセプタ位置変更機構３９及び予熱リング位置変更機構１２の昇降駆動部をエアシリンダ４１，４２に代え、サーボモータ駆動される周知のねじ軸機構で構成すればよい。図１１はねじ軸機構の一例を示すものであり、モータ９１の回転出力がギア９３，９４を介してねじ軸９５に伝達される。ねじ軸９５は基材ＢＰ（図１の基材ＢＰ１，ＢＰ２を総称する概念である）を貫通するナット部９６に螺合し、モータ９１により回転駆動されることで、サセプタ９あるいは予熱リング３２を支持する基材ＢＰを、任意の高さ位置を保持可能に昇降させる。符号９１ｓは基材ＢＰの高さ方向の原点位置を検出するためのリミットスイッチ（原点検出部）である。
　この場合、図８の制御システムは、エアシリンダ４１，４２及びシリンダドライバ４１ｃ，４２ｃの組が、一点鎖線で示す、対応するねじ軸駆動部８１（サセプタ昇降用）及び８２（予熱リング昇降用）に置き換えられる。これらの電気的な構造は実質的に同一であり、一方で代表させて説明する。すなわち、ねじ軸９５（図１１）を駆動するモータ９１はサーボ制御部９１ｃを介して入出力部７４に接続される。サーボ制御部９１ｃは初期化に伴い、モータ９１を下降方向に回転駆動する。そして、基材ＢＰがリミットスイッチ９１ｓを付勢するとモータ９１の回転を停止し、モータ９１の出力軸に取り付けられたパルスジェネレータ９１ｐ（角度センサ）からのパルス入力を計数するためのカウンタをリセットする。次いで、制御用コンピュータ７０からのサセプタ高さ及び予熱リング高さの設定値に応じて目標パルス数を設定し、モータ９１を上昇方向に駆動する。そして、カウンタが計数するパルス数が目標パルス数に到達すればモータ９１の回転を停止する。この場合、図９の設定値テーブル７２ｂは、サセプタの高さ方向位置の３以上の値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・に対応する、予熱リングの高さ方向位置の値Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３，・・・、温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・、流量Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３・・・及びＦ２１，Ｆ２２，Ｆ２３，・・・の各値を含むものとして構成される。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下、図３に例示した予熱リング３２の昇降摺動部分の変形例について、図１２を参照しつつ説明する（図３と共通する構成要素には同一の符号を付与し、詳細な説明は略する）。図１２においては、図３のライナベース３１がライナベース１３１に置き換えられている。ライナベース１３１はリング状に形成されるとともに上部内周縁に沿って摺動座ぐり部１３１Ｆが形成されている。また、図３のライナ可動部３３がライナ可動部１３３に置き換えられている。ライナ可動部１３３はライナベース１３１の摺動座ぐり部１３１Ｆ内に下端側が挿入され、外周面が摺動座ぐり部１３１Ｆの内周面に沿ってガイドされる形で上下に摺動するようになっている。摺動座ぐり部１３１Ｆの内周面及びライナ可動部１３３の外周面は、いずれも円筒面である。
　予熱リング３２は、上面がライナ可動部１３３の上面と一致するように第一座ぐり部１３３Ｋにはめ込まれている。また、結合補助部３５の先端は、ライナ可動部１３３の第二座ぐり部１３３Ｌにはめ込まれた連結フレーム１３４に結合されている。
　上記の構造によると、上記の構造では、予熱リング３２が直接取り付けられるライナ可動部１３３の外周面が、ライナベース１３１の内周面にガイドされつつその内部を高さ方向に摺動することで、予熱リング３２の高さ方向保持位置を変更する際に、予熱リング３２の水平を維持しやすくなる効果が、図３の構造を採用した場合と同様に達成される。また、ライナ可動部１３３に対するライナベース１３１側の摺動面が、図３の溝部３１ｇの２つの内周面から、摺動座ぐり部１３３Ｆの単一の内周面に変更されることで、ライナ可動部１３３及びライナベース１３１は、いずれも断面形状が図３の構成と比較して大幅に単純化され、加工が容易となる利点がある。
１　気相成長装置
２　反応容器本体
３　本体下部
４　本体上部
４Ｃ　天井板
５　内部空間
５Ａ　原料ガス流通空間
５Ｂ　機器配置空間
７　排出管
９　サセプタ
９Ａ　スリーブ
９Ｂ　座ぐり
１１　赤外線加熱ランプ
１２　予熱リング位置変更機構
１２Ａ　リフトピン駆動アーム
１２Ｂ　昇降スリーブ
１２Ｃ　リフトプレート
１３　リフトピン
１４　挿通孔
１５　回転軸部材
１５Ａ　軸本体
１５Ｂ　温度センサ
１５Ｄ　サセプタ支持アーム
１５Ｃ　結合ピン
２１　ガス導入口
２２　ガス排出口
２９　下部ライナ
３０　上部ライナ
３１，１３１　ライナベース
３２　予熱リング
３３，１３３　ライナ可動部
３３Ａ　摺動部
３３Ｂ　フランジ部
３１ｇ　溝部
３５　結合補助部
３９　サセプタ位置変更機構
４０　モータ
４１，４２　エアシリンダ
１３３Ｆ　摺動座ぐり部
ＥＬ　シリコン単結晶薄膜
ＥＷ　シリコンエピタキシャルウェーハ
Ｇ　原料ガス
ｈ　第一寸法
ｈ’　第二寸法
Ｏ　回転軸線
ＰＰ　主表面
Ｗ　シリコン単結晶基板

Claims (10)

  1. 　単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
    　水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、該反応容器本体の内部空間にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記単結晶基板が略水平に回転保持されるようになっており、前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入される半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスが、前記単結晶基板の前記主表面に沿って流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、前記サセプタを取り囲むように予熱リングが配置され、さらに、
    　前記サセプタに装着された前記単結晶基板の前記主表面と、前記反応容器本体の天井板下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定するために、前記サセプタの昇降に基づき前記反応容器本体内における前記サセプタの高さ方向保持位置を変更するサセプタ位置変更機構と、
    　前記サセプタの前記高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、前記予熱リングの昇降に基づき前記反応容器本体内における前記予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構と、
    　を備えたことを特徴とする気相成長装置。
  2. 　前記予熱リング位置変更機構は、前記サセプタの高さ方向保持位置が変更されるに伴い、前記サセプタ上の前記単結晶基板の主表面と前記予熱リングの上面が一致するように前記予熱リングの高さ方向保持位置を変更するものである請求項１記載の気相成長装置。
  3. 　前記サセプタ位置変更機構は前記サセプタの高さ方向保持位置を、前記原料ガス流通空間の高さ方向寸法が第一寸法となるサセプタ側第一位置と、前記原料ガス流通空間の高さ方向寸法が前記第一寸法よりも小さい第二寸法となるサセプタ側第二位置との間で変更するものであり、
    　前記予熱リング位置変更機構は前記予熱リングの高さ方向保持位置を、前記サセプタ側第一位置及び前記サセプタ側第二位置に各々対応するリング側第一位置とリング側第二位置との間で変更するものである請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。
  4. 　前記サセプタは、該サセプタの下面に上端が結合される回転軸部材を介して回転駆動されるとともに、前記サセプタ位置変更機構は前記サセプタを前記回転軸部材とともに昇降させるものであり、
    　前記予熱リング位置変更機構は、前記回転軸部材の回転駆動を許容しつつ、前記回転軸部材の外側に同軸的かつ前記回転軸部材の軸線に沿って昇降可能に配置される昇降スリーブと、該昇降スリーブと前記予熱リングとを結合する結合部材と、前記昇降スリーブと前記結合部材とを一体的に昇降駆動する昇降駆動部とを備える請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
  5. 　前記サセプタ上の前記単結晶基板を下側から突き上げる形でリフトアップさせるリフトピンが、下端側を前記サセプタから下向きに突出させる形で設けられ、
    　前記リフトピンを下方から上向きに付勢するためのリフトピン駆動アームの基端側が前記昇降スリーブに結合されている請求項４記載の気相成長装置。
  6. 　前記反応容器本体内において前記サセプタの周囲には、外周面が前記ガス導入口に臨む位置に配置された環状の下部ライナと、該下部ライナの上方に対向する形で配置され、前記ガス導入口から供給されるとともに前記下部ライナの外周面に当たって周方向に分散しながら該下部ライナを乗り越える前記原料ガスの流れを、前記サセプタ上の前記単結晶基板の前記主表面上に誘導する環状の上部ライナとを備え、
    　前記下部ライナは、前記外周面を形成するとともに前記反応容器本体に対し上下方向位置が固定に取り付けられるライナベースと、上面に前記予熱リングが取り付けられ前記ライナベースに対し前記予熱リングとともに上下方向に摺動可能に取り付けられるライナ可動部とを備え、
    　前記ライナ可動部と、前記昇降スリーブに一端が結合され他端が前記ライナ可動部に結合される結合補助部とが前記結合部材を構成する請求項４又は請求項５に記載の気相成長装置。
  7. 　前記予熱リングは上面が前記ライナ可動部の上面と一致するように前記ライナ可動部に取り付けられ、
    　前記予熱リング位置変更機構は、前記サセプタの高さ方向保持位置が変更されるに伴い、前記サセプタ上の前記単結晶基板の主表面と前記予熱リングの上面が一致するように前記予熱リングの高さ方向保持位置を変更するものである請求項６記載の気相成長装置。
  8. 　前記ライナ可動部は、前記ライナベースの上面に開口するとともに該ライナベースの周方向に沿って刻設された溝部に基端側が挿入され、前記溝部内を上下に摺動する筒状の摺動部と、前記摺動部の上端縁から半径方向内向きに延出するフランジ部とを備え、前記予熱リングは前記フランジ部の上面に取り付けられている請求項７記載の気相成長装置。
  9. 　前記ライナベースはリング状に形成されるとともに上部内周縁に沿って摺動座ぐり部が形成され、前記ライナ可動部はリング状に形成されるとともに前記ライナベースの前記摺動座ぐり部内に基端側が挿入され、外周面が前記摺動座ぐり部の内周面に沿ってガイドされる形で上下に摺動するようになっている請求項７記載の気相成長装置。
  10. 　水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、該反応容器本体の内部空間にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に単結晶基板が略水平に回転保持されるようになっており、前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入される半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスが、前記単結晶基板の主表面に沿って流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、前記サセプタを取り囲むように予熱リングが配置され、さらに、前記サセプタに装着された前記単結晶基板の前記主表面と、前記反応容器本体の天井板下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定するために、前記サセプタの昇降に基づき前記反応容器本体内における前記サセプタの高さ方向保持位置を変更するサセプタ位置変更機構と、前記サセプタの前記高さ方向保持位置の変更に追随させる形で、前記予熱リングの昇降に基づき前記反応容器本体内における前記予熱リングの高さ方向保持位置を変更する予熱リング位置変更機構と、を備えた気相成長装置の前記反応容器本体内に前記単結晶基板を配置し、該反応容器本体内に前記原料ガスを流通させて前記単結晶基板上に前記半導体単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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