(57)【要約】【課題】消費電力に優れるＳｉＣエピタキシャル成長装置を得ることを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置は、ＳｉＣＳｉＣウェハを載置する載置台と、前記載置台を覆う炉体と、を備え、前記炉体は、側壁部と、前記炉体内に原料ガスを供給するガス供給口を有し、前記ガス供給口の周囲を覆い、前記載置台の上方に位置する天井部と、を有し、前記天井部の内面の放射率は、前記側壁部の内面の放射率より低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣウェハを載置する載置台と、
前記載置台を覆う炉体と、を備え、
前記炉体は、
側壁部と、
前記炉体内に原料ガスを供給する供給口を有し、前記供給口の周囲を覆い、前記載置台の上方に位置する天井部と、
前記天井部と前記側壁部とを繋ぐテーパー部と、を有し、
前記天井部及び前記テーパー部の内面の放射率は、前記側壁部の内面の放射率より低い、ＳｉＣエピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記天井部及び前記テーパー部の内面は、ＴａＣでコートされている、請求項１に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記側壁部の内面は、ＳｉＣでコートされている、請求項１又は２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
【請求項４】
前記載置台と前記天井部とを結ぶ仮想線を軸に、前記側壁部の外周を周方向に囲むヒータをさらに備え、
前記ヒータの上端は、前記天井部及び前記テーパー部より下方に位置する、請求項１から３のいずれか一項に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣエピタキシャル成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、また、バンドギャップが３倍大きく、さらに、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため、炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
ＳｉＣデバイスの実用化の促進には、高品質のＳｉＣエピタキシャルウェハ、及び高品質のエピタキシャル成長技術の確立が不可欠である。
【０００４】
ＳｉＣデバイスは、昇華再結晶法等で成長させたＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られたＳｉＣウェハ上に、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によってデバイスの活性領域となるエピタキシャル膜を成長させたＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製される。なお、本明細書において、ＳｉＣエピタキシャルウェハはエピタキシャル膜を形成後のウェハを意味し、ＳｉＣウェハはエピタキシャル膜を形成前のウェハを意味する。
【０００５】
エピタキシャル膜は、原料ガスがＳｉＣウェハの近傍で再結晶化して得られる。エピタキシャル膜を成膜する際の炉内の温度は、１５００℃程度と極めて高温まで至る（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−２５３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炉内をエピタキシャル膜の成膜温度で保つためには、多くの電力が必要となる。電力消費量は、ＳｉＣエピタキシャルウェハの生産コストに大きな影響を及ぼす。したがって、ＳｉＣエピタキシャル製造装置の低消費電力化が求められている。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、消費電力に優れるＳｉＣエピタキシャル成長装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討の結果、炉体の所定の部分の放射率を変えるだけで、ＳｉＣウェハの加熱効率が向上し、ＳｉＣエピタキシャル製造装置の低消費電力化を実現できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１０】
（１）第１の態様にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置は、ＳｉＣウェハを載置する載置台と、前記載置台を覆う炉体と、を備え、前記炉体は、側壁部と、前記炉体内に原料ガスを供給する供給口を有し、前記供給口の周囲を覆い、前記載置台の上方に位置する天井部と、前記天井部と前記側壁部とを繋ぐテーパー部と、を有し、前記天井部及び前記テーパー部の内面の放射率は、前記側壁部の内面の放射率より低い。
【００１１】
（２）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置において、前記天井部及び前記テーパー部の内面は、ＴａＣでコートされていてもよい。
【００１２】
（３）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置において、前記側壁部の内面は、ＳｉＣでコートされていてもよい。
【００１３】
（４）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置において、前記載置台と前記天井部とを結ぶ仮想線を軸に、前記側壁部の外周を周方向に囲むヒータをさらに備え、前記前記ヒータの上端は、前記天井部及び前記テーパー部より下方に位置する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置は、消費電力に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置の模式図である。
【図２】成膜空間内における、輻射熱（電磁波）の多重照り返しの様子を模式的に示した図である。
【図３】実施例１にかかるシミュレーション結果を示す図である。
【図４】比較例１にかかるシミュレーション結果を示す図である。
【図５】比較例２にかかるシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１７】
方向について定義する。＋ｚ方向は、ウェハを載置する載置面２０ａに対して垂直な方向で、後述する天井部１１へ向かう方向である。−ｚ方向は、＋ｚ方向と反対方向である。これらを区別しない場合は、単に「ｚ方向」と表記する。また＋ｚ方向を「上」、−ｚ方向を「下」という場合がある。ｘ方向は、ｚ方向と直交する任意の一方向である。ｙ方向は、ｘ方向およびｚ方向と直交する方向である。
【００１８】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置１００の断面模式図である。図１は、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜するＳｉＣウェハＷを同時に図示している。ＳｉＣエピタキシャル成長装置１００は、炉体１０と載置台２０とヒータ３０とを有する。
【００１９】
（炉体）
炉体１０は、天井部１１とテーパー部１２と側壁部１３と底部１４とを有する。炉体１０は、内部に成膜空間Ｋを有する。
【００２０】
天井部１１は、載置台２０の上方に位置し、載置台２０の載置面２０ａと略平行な部分である。天井部１１は、載置面２０ａと対向する。
【００２１】
天井部１１は、炉体１０内に原料ガスＧを供給する供給口１０Ａを有する。原料ガスＧは、ＳｉＣウェハＷ上で反応し、エピタキシャル膜を形成する。原料ガスＧは、例えば、Ｓｉ系ガスとＣ系ガスである。Ｓｉ系ガスは、例えば、シラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）である。Ｃ系ガスは、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。原料ガスＧは、Ｓｉ系ガス及びＣ系ガス以外に、エッチングガス（例えばＨＣｌ）、キャリアガス（例えばＡｒ）、ドーパントガス（例えば、Ｎ２、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ））を含んでもよい。
【００２２】
天井部１１は、内面１１ａと外面１１ｂとを有する。内面１１ａは、炉体１０の内側であり、成膜空間Ｋに露出した面である。外面１１ｂは、内面１１ａと反対の面で、外部に露出した面である。内面１１ａの放射率は、後述する側壁部１３の内面１３ａの放射率より高い。内面１１ａの放射率は、好ましくは０．５以下であり、より好ましくは０．３以下であり、さらに好ましくは０．２以下である。外面１１ｂの放射率は、特に問わない。放射率は、輻射率とも呼ばれる。輻射率は、物体が熱輻射で輻射するエネルギーを同温の黒体が輻射するエネルギーを１とした際の比である。放射率（輻射率）が高いと熱を受け取りやすく、放射率（輻射率）が低いと熱を受け取りにくい。
【００２３】
供給口１０Ａは、例えば、天井部１１に複数ある。天井部１１の面積に対する供給口１０Ａの面積率は、好ましくは０．３以下である。ここで「天井部１１の面積」は、ｚ方向からの平面視で天井部１１の外周に囲まれた領域の面積であり、供給口１０Ａの面積も含む。「供給口１０Ａの面積」は、ｚ方向からの平面視で開口している部分の総面積である。天井部１１の表面積が増えると、天井部１１の実効的な放射率が低くなる。供給口１０Ａの面積率を所定の範囲に収めると、天井部１１の実効放射率が高くなることを抑制できる。
【００２４】
天井部１１は、１５００℃を超える高温に対して耐熱性を有し、原料ガスＧと反応性が低い材料により構成される。天井部１１は、例えばＴａ、ＴａＣ、ＴａＣコートされた、黒鉛、金属（例えばＴａＣコートされたステンレス鋼（ＳＵＳ））等である。ＴａＣコートは、天井部１１の内面１１ａにコートされる。成膜温度領域において、ＴａＣ及びＴａＣコートカーボンの放射率は０．２〜０．３程度であり、放射率が低い。
【００２５】
テーパー部１２は、天井部１１と側壁部１３とを繋ぐ部分である。天井部１１の外径は、側壁部１３の外径より狭い。テーパー部１２は、天井部１１から−ｚ方向に拡径する。
【００２６】
テーパー部１２は、内面１２ａと外面１２ｂとを有する。内面１２ａは、炉体１０の内側であり、成膜空間Ｋに露出した面である。外面１２ｂは、内面１２ａと反対の面で、外部に露出した面である。内面１２ａの放射率は、後述する側壁部１３の内面１３ａの放射率より低い。内面１２ａの放射率は、好ましくは０．５以下であり、より好ましくは０．３以下であり、さらに好ましくは０．２以下である。外面１２ｂの放射率は、特に問わない。
【００２７】
テーパー部１２は、天井部１１と同様の部材を用いることができる。テーパー部１２の内面１２ａは、例えば、ＴａＣでコートされている。
【００２８】
側壁部１３は、中心軸の周囲を囲む部分である。中心軸は、ＳｉＣウェハＷの中心を通りｚ方向に延びる軸である。図１に示す側壁部１３は、第１部分１３Ａと第２部分１３Ｂと第３部分１３Ｃとを有する。
【００２９】
第１部分１３Ａは、載置面２０ａに載置されたＳｉＣウェハＷより上方に位置する。第１部分１３Ａの内径は、載置面２０ａの外径よりわずかに広い。原料ガスＧは、第１部分１３Ａの内径に沿って、ＳｉＣウェハＷへ層流をなして供給される。第２部分１３Ｂは、第１部分１３Ａと第３部分１３Ｃとの間をつなぐ部分である。第２部分１３Ｂは、−ｚ方向に拡径する。未反応の原料ガスＧ等は、第２部分１３Ｂに沿って下方に流れる。第３部分１３Ｃは、載置面２０ａに載置されたＳｉＣウェハＷより下方に位置する。第３部分１３Ｃの内径は、第１部分１３Ａの内径より広い。第３部分１３Ｃは、排気口１０Ｂを有する。未反応の原料ガスＧ等は、排気口１０Ｂから排出される。
【００３０】
側壁部１３は、内面１３ａと外面１３ｂとを有する。内面１３ａは、炉体１０の内側であり、成膜空間Ｋに露出した面である。外面１３ｂは、内面１３ａと反対の面で、外部に露出した面である。内面１３ａ及び外面１３ｂの放射率は、天井部１１の内面１１ａ及びテーパー部１２の内面１２ａの放射率より高い。
【００３１】
側壁部１３は、例えば、ＳｉＣコートされたカーボンである。ＳｉＣの放射率は、０．８程度である。
【００３２】
底部１４は、天井部１１とＳｉＣウェハＷを挟む位置にある。底部１４は、例えば、ステンレス鋼、アルミ合金、真鍮からなる。底部１４は、載置台２０の支持軸が貫通する孔部１４Ａを有する。
【００３３】
（載置台）
載置台２０は、ＳｉＣウェハＷが載置される載置面２０ａを有する。載置台２０は、支持体２１と支持軸２２とを有する。支持体２１は、ＳｉＣウェハＷを支持する。支持軸２２は、支持体２１の中心から下方に延びる。支持軸２２は、例えば、図示しない回転機構に連結される。支持体２１は、回転機構によって支持軸２２が回転することで回転可能となっている。支持体２１の内部には、後述する第２ヒータ３２が格納される。
【００３４】
（ヒータ）
ヒータ３０は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２とを有する。第１ヒータ３１は、側壁部１３の外周を周方向に囲む。第１ヒータ３１は、側壁部１３に沿ってｚ方向に延びる。第１ヒータ３１の上端３１ａは、天井部１１及びテーパー部１２より下方に位置する。第２ヒータ３２は、支持体２１の内部に格納される。第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２は、公知の物を用いることができる。
【００３５】
第１実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャル成長装置１００は、ＳｉＣウェハＷを効率的に加熱できる。
【００３６】
第１ヒータ３１は、炉体１０を介してＳｉＣウェハＷを加熱する。側壁部１３は、第１ヒータ３１からの輻射を受ける。側壁部１３は、天井部１１及びテーパー部１２と比較して放射率が高く、電磁波を吸収しやすい。側壁部１３は、第１ヒータ３１からの輻射を効率的に受け、加熱される。
【００３７】
加熱された側壁部１３は、それ自体が電磁波の発生源となる。側壁部１３からの輻射は、側壁部１３から放射状に広がる。側壁部１３からの輻射の一部は、ＳｉＣウェハＷに至り、ＳｉＣウェハＷが加熱される。また側壁部１３からの輻射の一部は、ＳｉＣウェハＷ以外に、天井部１１及びテーパー部１２にも至る。天井部１１及びテーパー部１２は、放射率が低い。天井部１１及びテーパー部１２に至った電磁波の多くは、吸収されず、反射される。天井部１１及びテーパー部１２で反射された電磁波の一部は、ＳｉＣウェハＷに至り、ＳｉＣウェハＷを加熱する。
【００３８】
つまり、ＳｉＣエピタキシャル成長装置１００は、第１ヒータ３１で生じた輻射が、天井部１１及びテーパー部１２の加熱に利用されることを避け、ＳｉＣウェハＷを効率的に加熱できる。
【００３９】
また天井部１１及びテーパー部１２は、輻射の多くを反射するため、温度上昇が少ない。天井部１１は、原料ガスＧが供給される供給口１０Ａを有する。原料ガスＧは、炉体１０内で分解されたのち反応し、ＳｉＣとなる。供給口１０Ａの温度が高いと、供給口１０Ａ付近で原料ガスＧが分解し、供給口１０Ａの近傍にＳｉＣの付着物が生じる。ＳｉＣの付着物は、剥離するとパーティクルの原因となる。天井部１１及びテーパー部１２の温度上昇を抑制することで、付着物の増加も抑制できる。
【００４０】
また図２は、成膜空間Ｋ内における、輻射熱（電磁波）の多重照り返しの様子を模式的に示した図である。テーパー部１２は、天井部１１に対して傾いている。テーパー部１２で反射した輻射熱は、天井部１１に向って集中する。天井部１１で反射した輻射熱は、再度テーパー部１２に至り、炉体１０下方に向って伝わる。つまり、炉体１０は、テーパー部１２を有することで、輻射熱を炉体１０の下方に向って、多重反射する。炉体１０の下方にはＳｉＣウェハＷが載置されるため、ＳｉＣウェハＷの加熱効率は向上する。放射率の高いＳｉＣ（放射率０．８）は、反射率が理論的には０．２（＝１．０−放射率（０．８）である。テーパー部１２及び天井部１１の内面がＳｉＣの場合、２回の反射した後の輻射熱は、反射前の４％（＝０．２×０．２×１００％）となる。これに対し、放射率の低いＴａＣ（放射率０．２）は、反射率が理論的には０．８（＝１．０−放射率（０．２）である。テーパー部１２及び天井部１１の内面がＴａＣの場合、２回の反射した後の輻射熱は、反射前の６４％（＝０．８×０．８×１００％）となる。すなわち、テーパー部１２及び天井部１１の内面をＴａＣでコートすることで、多重反射した輻射熱によるＳｉＣウェハＷの加熱効率は、１０倍以上となる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
図１と同様の構成のＳｉＣエピタキシャル成長装置を用いてウェハ表面の温度を所定の温度にする際に、各部分における伝熱量をシミュレーションにより求めた。シミュレーションには、汎用ＦＥＭ熱解析ソフトウエアＡＮＳＹＳ  Ｆｌｕｅｎｔを用いた。シミュレーションは、計算負荷を低減するために、中心軸を通る任意の断面の半分（径方向の半分）の構造のみで行った。図３は、実施例１のシミュレーション結果を示す図である。
【００４３】
実施例１における炉体の各部分の放射率は以下とした。
側壁部１３：０．８（ＳｉＣコート相当）
天井部１１及びテーパー部１２：０．２（ＴａＣコート相当）
【００４４】
第１ヒータ３１を加熱し、第１ヒータ３１からの伝熱量を求めた。側壁部１３から炉体内部への伝熱量は１２．０ｋＷだった。このうち３．５ｋＷは天井部１１に伝わり、５．０ｋＷはテーパー部１２に伝わり、３．５ｋＷは載置台２０に伝わった。つまり、側壁部１３から炉体内部への伝熱量のうち２９．２％が載置台２０に載置されるＳｉＣウェハの加熱に利用された。
【００４５】
（比較例１）
比較例１は、炉体の天井部１１及びテーパー部１２の放射率を０．８とした点のみが、実施例１と異なる。その他の条件は実施例１と同様とした。図４は、比較例１のシミュレーション結果を示す図である。比較例１における炉体の各部分の放射率は以下となる。
天井部１１、テーパー部１２および側壁部１３：０．８（ＳｉＣコート相当）
【００４６】
第１ヒータ３１を加熱し、第１ヒータ３１からの伝熱量を求めた。側壁部１３から炉体内部への伝熱量は１７．５ｋＷだった。このうち６．５ｋＷは天井部１１に伝わり、１０．０ｋＷはテーパー部１２に伝わり、１．０ｋＷは載置台２０に伝わった。つまり、側壁部１３から炉体内部への伝熱量のうち５．７％が載置台２０に載置されるＳｉＣウェハの加熱に利用された。
【００４７】
比較例１における側壁部１３から炉体内部への伝熱量（１７．５ｋＷ）は、実施例１の伝熱量（１２．０ｋＷ）より大きい。これは、ＳｉＣウェハの温度を一定にするための伝熱量を求めたためである。換言すると、実施例１は少ない熱量でＳｉＣウェハを所定の温度まで加熱できており、第１ヒータ３１の消費電力が低減されている。
【００４８】
また実施例１における天井部１１への伝熱量（３．５ｋＷ）は、比較例１における天井部１１への伝熱量（６．５ｋＷ）より小さい。つまり、実施例１は、天井部１１が高温になることが抑制されており、パーティクルの発生原因となる付着物が生じにくい。
【００４９】
（比較例２）
比較例２は、炉体のテーパー部１２の放射率を０．８とした点のみが、実施例１と異なる。その他の条件は実施例１と同様とした。図５は、比較例２のシミュレーション結果を示す図である。比較例２における炉体の各部分の放射率は以下となる。
側壁部１３及びテーパー部１２：０．８（ＳｉＣコート相当）
天井部１１：０．２（ＴａＣコート相当）
【００５０】
第１ヒータ３１を加熱し、第１ヒータ３１からの伝熱量を求めた。側壁部１３から炉体内部への伝熱量は１６．０ｋＷだった。このうち２．５ｋＷは天井部１１に伝わり、１２．０ｋＷはテーパー部１２に伝わり、１．５ｋＷは載置台２０に伝わった。つまり、側壁部１３から炉体内部への伝熱量のうち９．４％が載置台２０に載置されるＳｉＣウェハの加熱に利用された。
【００５１】
比較例２における側壁部１３から炉体内部への伝熱量（１６．０ｋＷ）は、実施例１より伝熱量（１２．０ｋＷ）より大きく、比較例１より伝熱量（１７．５ｋＷ）より小さい。これは、ＳｉＣウェハの温度を一定にするための伝熱量を求めたためである。比較例２は、ＳｉＣウェハを所定の温度まで加熱するために、実施例１より多くの熱量が必要であり、比較例１より少ない熱量で足りる。
【００５２】
また比較例２の天井部１１への伝熱量（２．５ｋＷ）は、実施例１における天井部１１への伝熱量（３．５ｋＷ）及び比較例１における伝熱量（６．５ｋＷ）より小さい。つまり、天井部１１が高温になることを避けるという観点のみでは、天井部１１の放射率を低減させることが好ましい。
【００５３】
一方で、実施例１は、テーパー部１２も含めて放射率を低減することで、天井部１１が高温になることを避けると共に、側壁部１３から炉体内部への伝熱量を最も効率的にＳｉＣウェハの加熱に利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  炉体
１０Ａ  供給口
１０Ｂ  排気口
１１  天井部
１２  テーパー部
１３  側壁部
１３Ａ  第１部分
１３Ｂ  第２部分
１３Ｃ  第３部分
１４  底部
１４Ａ  孔部
１１ａ、１２ａ、１３ａ  内面
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ  外面
２０  載置台
２１  支持体
２２  支持軸
３０  ヒータ
３１  第１ヒータ
３１ａ  上端
３２  第２ヒータ
１００  ＳｉＣエピタキシャル成長装置
Ｗ  ＳｉＣウェハ
Ｋ  成膜空間
Ｇ  原料ガス
【図１】
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【図２】
2020098830.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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