(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状のウェハが載置されるウェハトレイと、該ウェハトレイを所定位置に保持するサセプタとを備えた薄膜成長装置において、前記ウェハトレイの表側にウェハ載置部が設けられ、かつ同ウェハトレイの裏側に、ウェハトレイからの熱の放散を遮断する断熱部が設けられており、前記断熱部は、前記サセプタと接触する周辺部よりも内側であって前記ウェハ載置部の周縁の下方近傍を取り囲むように設けられていることを特徴とする薄膜成長装置。
【請求項２】
前記断熱部は、溝で形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜成長装置。
【請求項３】
有機金属気相成長法において使用される装置であることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜成長装置さらにはウェハ面内を均熱化するウェハホルダを備えた気相成長装置に関し、例えばウェハが自転または自公転する機構を有する化合物半導体結晶成長用のＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法に使用される装置に適用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５には、従来の熱幅射型基板加熱方式の化合物半導体結晶成長用ＭＯＣＶＤ装置が示されている。このＭＯＣＶＤ装置は、ウェハが載置されるグラファイト製等のウェハトレイ１、複数のウェハトレイ１を支持するグラファイト製等のサセプタ２、サセプタ２を裏側から加熱する複数の同心円状のヒータ３、及びサセプタ２を回転可能に支持する支持軸４を有している。ウェハトレイ１、サセプタ２及びヒータ３はリアクタ６に収納されており、そのリアクタ６の周囲は水冷されている。この装置では、ウェハは、支持軸４の回りを公転、あるいは公転とともに自転しながら、ヒータ３からの幅射熱により加熱される。
【０００３】
ウェハトレイ１は、図６に示すように、ウェハを載置する平面形状円形で凹状のウェハ載置部５を有しているとともに、その裏側にはサセプタ２と嵌合する突起部７を有している。一方、サセプタ２には、トレイ１の突起部７が嵌入される凹部が形成されている。
【０００４】
原料ガスは、リアクタ６の中心部上部のガス導入口より導入され、ウェハ上で化学反応して結晶を析出する。そしてその反応により生成したガスや未反応ガスは、リアクタ６の側部に設けられたガス排出口を介して外部に排出される。
【０００５】
ＭＯＣＶＤ法では、成膜された膜の組成や特性は、ウェハの温度に敏感であるため、ウェハ全面に均一な膜を成長させるには、成膜中のウェハ表面の温度分布を均一に保つ必要がある。
【０００６】
しかし、上述した構成の装置の場合、同心円状のヒータ３の出力比を調整しても、ウェハ中心部の温度が最も高く、周辺部の温度が最も低くなるような温度分布となってしまい、成長した膜の組成や特性は不均一になってしまう。
【０００７】
そこで、気相成長法において、成膜時のウェハ表面の温度分布を均一に保つようにした提案が種々なされている。特公昭５５−２８５４６号公報には、サセプタを支持する支持板付近のサセプタの厚さを薄くするか、もしくはサセプタに溝を設けることにより、サセプタから支持板への熱伝導を抑制するようにしたＣＶＤ装置について開示されている。特開平１−２０３２９１号公報には、基板ホルダの、基板受け部の周囲の表面上に、フローガスを受け入れる凹凸の溝を形成し、そのガスフローにより半導体基板の温度分布を均一化するようにした基板ホルダについて開示されている。特開平１−２９１４２１号公報には、サセプタの、基板を保持する座ぐり部の周辺に溝を形成し、その溝に反応生成物が落下補集されることにより、基板とサセプタとを密着させて基板の温度分布を均一化するようにした気相成長装置について開示されている。特公平４−５０００号公報には、サセプタの基板設置部分に、基板中心部との間隔が基板外周部との間隔よりも大きくなるような凹部を形成し、基板外周部の温度が基板中心部の温度よりも低くなるのを防ぐようにした気相成長装置について開示されている。特開平９−３６０４９号公報には、サセプタに該当するウェハホルダの、ウェハを受けるウェハポケットの裏面全域に凸部を形成し、ウェハポケットの肉厚を厚くすることにより、ウェハ周辺部での高温化を防ぐようにした気相成長装置について開示されている。特開平７−２７７８８５号公報には、サセプタ内部に、基板中央部から外周に向かってテーパ状に広がる空洞を形成し、サセプタの径方向に生じる温度差を補償することにより、基板表面の温度を均一化するようにした気相エピタキシャル装置について開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記何れの公報に記載された技術においても、サセプタを加工するか、またはサセプタを専用に設計して作製しなければならないという欠点がある。また、ウェハ表面の温度分布を均一化する効果も、十分に得られない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、簡便な手段により、ウェハ面内を均熱化することができる薄膜成長装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するにあたり、本発明者らは、サセプタ上のウェハ表面の温度分布が不均一になる原因は、リアクタ中心部から外側に向かって放射状に放散される熱の量が多いからである、と考えた。そこで、リアクタの中心よりも外側に位置するウェハトレイのウェハ載置部の周辺部から、熱の良伝導体であるサセプタヘ熱が逃げるのを制限すれば良いと考え、鋭意検討を重ねた結果、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、薄板状のウェハが載置されるウェハトレイと、該ウェハトレイを所定位置に保持するサセプタとを備えた薄膜成長装置において、前記ウェハトレイの表側にウェハ載置部が設けられ、かつ同ウェハトレイの裏側に、ウェハトレイからの熱の放散を遮断する断熱部が設けられており、前記断熱部は、前記サセプタと接触する周辺部よりも内側であって前記ウェハ載置部の周縁の下方近傍を取り囲むように設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、ウェハトレイからの殆どの熱はサセプタと接触する周辺部を介してサセプタヘ放散すると考えられるため、その内側に断熱部が設けられていることにより、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量が減少するので、ウェハ周辺部の温度が上昇し、ウェハ表面の温度を均一にすることができる。
【００１３】
また、この発明によれば、サセプタを改造する必要がないため、既存の薄膜成長装置をそのまま使用することができる。そして、ウェハの種類や成膜条件等に応じて適切に設計されたウェハトレイを用意することにより、ウェハ温度の均一化を図ることができるので、その有用性は非常に高い。
【００１４】
なお、ウェハトレイのウェハ載置部より内側に断熱部が設けられている場合には、その断熱部よりも外側のウェハ周縁の温度が低下してしまい、ウェハ表面の温度プロファイルがＭ型になってしまうので、好ましくない。また、ウェハトレイの突起部より外側に断熱部がある場合には、当然のことながら、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量を減少させることはできないので、ウェハ表面の温度を均一化する効果が得られない。
【００１５】
上記発明において、前記断熱部が溝で形成されていてもよい。そうすれば、最も簡便にウェハ表面の温度を均一化する効果が得られる。ここで、溝の深さ及び位置等については、それぞれの薄膜成長装置の構造等に応じて、予備実験等により決定する。
【００１６】
なお、溝を形成する以外にも、ウェハトレイの一部を熱の不導体で形成することにより、断熱部を形成するようにしてもよい。
【００１７】
また、ウェハトレイの表面に溝を設けるのは、原料ガスの流れを乱すことになるため、好ましくない。
【００１８】
さらに、本発明は、有機金属気相成長法において使用される装置に適用するものであってもよい。そうすれば、ウェハ表面の温度を均一な状態に保ちながら薄膜を成長させることができるＭＯＣＶＤ装置が得られる。
【００１９】
ところで、特開平４−１８２３８６号公報には、サセプタの、基板の周縁部に対応する位置に溝を形成し、基板周縁部がサセプタに接触しないようにすることにより、クラックの発生を防ぐようにした発明について開示されている。しかし、この発明は、基板周縁部の温度を中心部よりも不安定にすることにより、基板周縁部の結晶性を悪くするものであり、本発明とは技術的思想が全く異なる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の一例を説明する。
【００２１】
図１には、本発明を適用した熱幅射型基板加熱方式の化合物半導体結晶成長用ＭＯＣＶＤ装置の一例が示されている。このＭＯＣＶＤ装置は、従来同様、ウェハが載置されるグラファイト製等のウェハトレイ１０、複数のウェハトレイ１０を支持するグラファイト製等のサセプタ２、サセプタ２を裏側から加熱する複数の同心円状のヒータ３、及びサセプタ２を回転可能に支持する支持軸４を有している。ウェハトレイ１０、サセプタ２及びヒータ３は、従来同様、リアクタ６に収納されており、そのリアクタ６の周囲は水冷されている。この装置では、ウェハは、支持軸４の回りを公転、あるいは公転とともに自転しながら、ヒータ３からの幅射熱により加熱される。
【００２２】
ウェハトレイ１０は、図２に示すように、ウェハを載置する平面形状円形で凹状のウェハ載置部５を有しているとともに、その裏側にはサセプタ２と嵌合する突起部７、及びその突起部７、すなわちサセプタと接触する周辺部よりも内側でかつウェハ載置部５の周よりも外側に断熱部８を有している。
【００２３】
断熱部８は、例えば溝により構成されている。この溝は、例えばウェハ載置部５の周と同心円をなすように形成されている。
【００２４】
サセプタ２には、ウェハトレイ１０を収容する平面形状円形で凹状のトレイ受部９が複数箇所、例えば図３に示すように３枚のウェハトレイを収容可能なように、３箇所に形成されている。なお、サセプタ２には、トレイ受部が２箇所に設けられていてもよいし、４箇所以上に設けられていてもよい。
【００２５】
サセプタ２の、トレイ受部９には、従来同様、トレイ１０の突起部７が嵌入される凹部が形成されている。その凹部にウェハトレイ１０の突起部７が嵌入されることにより、ウェハトレイ１０は、サセプタ上の所定位置に位置決めされる。そして、サセプタ２とウェハトレイ１０との間には、ウェハトレイ１０の断熱部８により生じた間隙が存在することとなる。この間隙があることにより、ウェハトレイ１０のウェハ載置部５の周辺部からサセプタ２ヘ熱が逃げるのが抑制される。
【００２６】
リアクタ６に対するガスの導入及び排出については従来同様である。すなわち、原料ガスは、リアクタ６の中心部上部のガス導入口より導入され、ウェハ上で化学反応して結晶を析出する。そしてその反応により生成したガスや未反応ガスは、リアクタ６の側部に設けられたガス排出口を介して外部に排出される。
【００２７】
上記実施形態によれば、ウェハトレイ１０の裏側で、かつサセプタ２と接触する周辺部とウェハ載置部５の周との間に溝状の断熱部８が設けられているため、このウェハトレイ１０がサセプタ２に収容された状態では、サセプタ２とウェハトレイ１０との間に断熱部８により生じた間隙が存在することとなり、ウェハ載置部５の周辺部からサセプタ２ヘ逃げる熱の量が減少し、ウェハ周辺部の温度が上昇するので、ウェハ表面の温度を均一にすることができる。従って、ウェハ面内における化合物半導体等の結晶の組成や特性の均一性を向上させることができる。
【００２８】
なお、断熱部８は、上述したような溝に限らず、ウェハ載置部５の周辺部からサセプタ２ヘ熱が逃げるのを抑制することができれば、ウェハトレイ１０の一部を熱の不導体で形成することにより構成されていてもよい。
【００２９】
【実施例】
以下に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて本発明者らが行った、ウェハ表面の温度プロファイルの測定結果について説明する。ＭＯＣＶＤ装置として、図１に示す構成の縦型ＭＯＣＶＤ装置を用いた。サセプタ２はグラファイト製のものであり、ウェハトレイ１０は図２に示す構成でカーボン製のものを用いた。ウェハトレイ１０のウェハ載置部５は、直径１０１ｍｍの円形状の凹部をなすよう形成されていた。ウェハトレイ１０の断熱部８は、ウェハトレイ１０の突起部７の内側近傍に形成された同心円上の溝で構成されており、その溝の幅は２ｍｍであり、かつその深さは４ｍｍであった。ウェハとして、熱電対を埋め込んだシリコンウェハを用い、これをウェハトレイ１０のウェハ載置部５に載置した。
【００３０】
温度プロファイルの測定を、３０ＴｏｒｒのＨ２  減圧雰囲気下において、ウェハトレイ中央部の温度を約７００℃と約６５０℃の２通りに設定して行った。比較のため、断熱部８の溝がないウェハトレイ（図６参照）を用いて、同じ装置及び同じ条件で温度プロファイルの測定を行った。
【００３１】
プロファイルの測定結果を図４に示す。図４において、横軸の位置が０（ゼロ）の点はウェハの中心点に対応しており、−４０ｍｍと＋４０ｍｍの点はそれぞれウェハの中心点を挟んで相対するウェハ周縁部に対応している。また、図４において、上側のプロットは設定温度を約７００℃としたものであり、下側のプロットは設定温度を約６５０℃としたものである。さらに、図４において、黒丸（●）のプロットは、断熱部８の溝を有する、本発明に係るウェハトレイ１０を用いたものであり、白丸（○）のプロットは、断熱部のないウェハトレイ（図６参照）を用いたものである（比較例）。
【００３２】
図４から明らかなように、ウェハトレイ１０の中心部（０の点）と周縁部（−４０ｍｍと＋４０ｍｍの点）との温度差は、トレー中心部の設定温度が７００℃の場合には、２０℃から１２℃であり、またトレー中心部の設定温度が６５０℃の場合には、１４℃から３℃であり、何れの場合にも、断熱部を設けていない比較例に比べて大幅に改善されていることがわかった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、薄板状のウェハが載置されるウェハトレイと、該ウェハトレイを所定位置に保持するサセプタとを備えた薄膜成長装置において、前記ウェハトレイの表側にウェハ載置部が設けられ、かつ同ウェハトレイの裏側に、ウェハトレイからの熱の放散を遮断する断熱部が設けられており、前記断熱部は、前記サセプタと接触する周辺部よりも内側であって前記ウェハ載置部の周縁の下方近傍を取り囲むように設けられているため、ウェハトレイのウェハ載置部の周辺部からサセプタヘ逃げる熱の量が減少し、ウェハ周辺部の温度が上昇するので、ウェハ表面の温度を均一にすることができ、従ってウェハ面内における化合物半導体等の結晶の組成や特性の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜成長装置の一例の概略を示す断面図である。
【図２】本発明に係る薄膜成長装置において使用されるウェハトレイの一例を示す断面図である。
【図３】サセプタとウェハトレイとヒータとの位置関係を示す模式図である。
【図４】本発明に係る薄膜成長装置と従来の薄膜成長装置の温度プロファイルを示す特性図である。
【図５】従来の薄膜成長装置の概略を示す断面図である。
【図６】従来のウェハトレイを示す断面図である。
【符号の説明】
２  サセプタ
３  ヒータ
４  支持軸
５  ウェハ載置部
６  リアクタ
７  突起部
８  断熱部
９  トレイ受部
１０  ウェハトレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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