(57)【要約】【課題】反応炉内の熱による反応炉の変形を防ぐことが可能な気相成長装置を提供する。【解決手段】底壁２、側壁３、上蓋４を有する反応炉５と、反応炉５内に原料ガス６を噴出させるノズル７と、反応炉５の底壁２を貫通してノズル７に原料ガス６を供給する原料ガス供給配管８と、ノズル７を中心に配設するとともに１以上の基板９を載置するサセプタ１０と、反応炉５内に設けられて基板９を加熱する加熱手段１１と、サセプタ１０の上面と平行となるように対向配置された対向板１２と、を備え、反応炉５の炉壁の炉内側表面に、反応炉５内の熱の伝達を阻害する遮熱層１６を設けることを特徴とする気相成長装置１を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁と、前記底壁の外周端から立設する筒状の側壁と、前記側壁の上方の開口部を閉塞する上蓋と、を有する反応炉と、
前記反応炉内に原料ガスを噴出させるノズルと、
前記反応炉の炉壁を貫通して前記ノズルに原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、
前記ノズルを中心に配設するとともに、１以上の基板を載置するサセプタと、
前記反応炉内に設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記サセプタの上面と平行となるように対向配置された対向板と、を備える気相成長装置であって、
前記反応炉の炉壁の炉内側表面に、当該反応炉内の熱の伝達を阻害する遮熱層を設けることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記遮熱層が、冷却手段を含む遮熱部材から構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。
【請求項３】
前記遮熱部材が、積層構造を有しており、前記反応炉内の熱を炉内側に反射する反射層を含むことを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記遮熱層が、少なくとも前記底壁の炉内側表面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記遮熱層が、前記炉壁の炉内側表面と当該遮熱層とが接触しないように設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記遮熱層による前記底壁の炉内側表面の被覆率が、８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記遮熱層が、複数の領域に分割可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体薄膜は、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法によって、高温状態の反応炉内で成膜されている。成膜対象の基板は、反応炉内において、原料ガスを噴出するノズルを中心として回転する円盤形状のサセプタ上に同心円状に配置されており、当該サセプタの下部に設けられた加熱手段によって加熱されるのが一般的である。また、基板上に半導体薄膜を成長させるためには、基板の表面を約１，０００度の高温に加熱し、原料ガスを基板上部に供給して原料ガスに含まれる成分どうしを反応（以下、「半導体成膜反応」という）させる。
【０００３】
近年の半導体の市場開発動向によると、各種の半導体膜を複数層に積層させる複雑な構造が必要となっている（例えば、非特許文献１を参照）。各種半導体成膜反応には、それぞれ適した成膜温度があることから、原料ガス種を変えると同時に基板の表面温度を上下させて制御している。ここで、図６は、従来の気相成長装置１０１の構成を示す断面模式図である。
【０００４】
図６に示すように、従来の気相成長装置１０１は、円板状の底壁１０２、上記底壁１０２の外周端から立設する筒状の側壁１０３、上記側壁１０３の上方を閉塞する上蓋１０４を有して構成される反応炉１０５と、この反応炉１０５内に、原料ガス１０６を噴出させるノズル１０７と、底壁１０２を貫通してノズル１０７に原料ガス１０６を供給する原料ガス供給配管１０８と、基板１０９を載置するサセプタ１１０と、サセプタ１１０の下方に配置されており、当該サセプタ１１０を介して基板１０９を加熱する加熱手段１１１と、サセプタ１１０の上方に、当該サセプタ１１０および基板１０９の上面と平行となるように配置された対向板１１２と、を備えて概略構成されている。
【０００５】
より具体的には、対向板１１２は、薄い円板状の部材であり、サセプタ１１０および基板１０９の上面から数ｍｍ程度離れた状態で、これらと平行となるようにサセプタ１１０の上方に配置されている。また、サセプタ１１０と対向板１１２との間隔（すなわち、サセプタ１１０の上面からの対向板１１２までの高さ）は、反応流路幅１１３と呼ばれている。そして、反応炉１０５内中心のノズル１０７から放出された原料ガス１０６は、サセプタ１１０の上面と対向板１１２との間の空間を経て、当該サセプタ１１０の外周に向かって流れる。
【０００６】
ここで、反応流路幅１１３に歪みがある（換言すると、サセプタ１１０の中央部と外周端との間で反応流路幅１１３が異なる、あるいはサセプタ１１０の周方向において反応流路幅１１３が異なる、等）と、均一であるべき原料ガス１０９の流れに乱れが生じ、微小な乱流が成膜の成長に差を生じさせ、成膜の品質に大きく影響を与えることとなる。したがって、反応流路幅１１３は、半導体成膜反応に適した幅で一定となるように、精密に調整されている。
【０００７】
ところで、反応炉１０５の内部は、一般的に、基板１０９を加熱する加熱手段１１１によって高温となる。このため、反応炉１０５内には、様々な冷却機構が設けられている。具体的には、例えば、図６に示すように、反応炉１０５を構成する底壁１０２、側壁１０３、上蓋１０４の内側に冷却水配管１１４を埋め込んで、冷却水等の冷却剤を流すことによって炉壁の破損や、炉壁の温度制御を行う方法が、一般的に知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
また、特許文献２には、原料ガスの温度を制御するために、水冷装置が設けられた有機金属気相成長炉が開示されている。
さらに、特許文献３には、同心円状に配置された複数の冷却タンクを備え、対向板に温度分布の温度勾配を容易に小さくすることが可能な気相成長装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−０５７５２６号公報
【特許文献２】特許第５０４２０５３号公報
【特許文献３】特開２００８−１９５９９５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】応用物理学会誌  第８１巻第６号（２０１２年６月号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図６に示すように、基板１０９上に半導体薄膜を成長させる際、反応炉１０５内（すなわち、炉壁の炉内雰囲気側）は高温となっている。一方、冷却水配管１１４が埋め込まれ、冷却剤で冷やされた炉壁の内部や反応炉１０５の外側（すなわち、炉壁の外気側）は比較的冷たい状態となっている。このように、反応炉１０５を構成する炉壁の内側（炉内雰囲気側）と外側（外気側）とに大きな温度差が生じることにより、当該炉壁の外側と内側との間で膨張収縮に差が生じ、反応炉の炉壁が湾曲してしまうという課題があった。
【００１２】
図７は、従来の気相成長装置１０１の、反応炉内が高温状態となった際の炉壁の湾曲状態を示す断面模式図である。図７に示すように、反応炉１０５内が高温の場合、高面積である底壁（底板）１０２には、中央部が上方に持ち上がる方向に、外周端が下方に下がる方向に、反る力が加わる。ここで、反応炉１０５内の各部品は、反応炉１０５を構成するいずれかの炉壁に接続されて固定されている。具体的には、図７に示すように、原料ガス供給配管１０８や、サセプタ１１０の中心近くの固定部は、広面積である底壁（底板）１０２の中央付近に固定されている。よって、反応炉内が高温の場合、底壁１０２が反ることで、原料ガス供給配管１０８と接続されているノズル１０７及びサセプタ１１０の中心側は、他の部品よりも顕著に上方向に持ち上げられることになる。すなわち、炉壁の変形は、炉内部品の位置のズレや寸法の精度を低下させることに繋がるという問題があった。
【００１３】
また、半導体成膜反応に適した温度はそれぞれ異なっており、一般的に、反応炉内では温度の上下が繰り返されるため、反応炉の変形は時間と共に悪化が進むことが明らかとなった。
【００１４】
従来は、基板のサイズ自体が小さく、同時に成膜する基板の枚数も少なかった。このため、反応炉自体のサイズも小さく、反応炉の炉壁の歪みが原因の、ノズルおよびサセプタの変位や変形は無視できるほどであった。
【００１５】
しかしながら、近年、基板の大型化や処理枚数の増加に伴い、反応炉もより大型化してきた。これにより、ノズルおよびサセプタの変位や変形の影響を無視できなくなり、ノズルの開口部や反応流路幅の歪みに繋がり、成膜の品質に影響が出ない反応炉底壁中心の歪み（持ち上がり）の許容値（具体的には、例えば４００ｍｍ反応炉においては、１．０ｍｍ）を大きく上回るという課題があった。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、反応炉内の熱による反応炉の変形を防ぐことが可能な気相成長装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に係る発明は、底壁と、前記底壁の外周端から立設する筒状の側壁と、前記側壁の上方の開口部を閉塞する上蓋と、を有する反応炉と、
前記反応炉内に原料ガスを噴出させるノズルと、
前記反応炉の炉壁を貫通して前記ノズルに原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、
前記ノズルを中心に配設するとともに、１以上の基板を載置するサセプタと、
前記反応炉内に設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記サセプタの上面と平行となるように対向配置された対向板と、を備える気相成長装置であって、
前記反応炉の炉壁の炉内側表面に、当該反応炉内の熱の伝達を阻害する遮熱層を設けることを特徴とする気相成長装置である。
【００１８】
請求項２に係る発明は、前記遮熱層が、冷却手段を含む遮熱部材から構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である。
【００１９】
請求項３に係る発明は、前記遮熱部材が、積層構造を有しており、前記反応炉内の熱を炉内側に反射する反射層を含むことを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置である。
【００２０】
請求項４に係る発明は、前記遮熱層が、少なくとも前記底壁の炉内側表面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気相成長装置である。
【００２１】
請求項５に係る発明は、前記遮熱層が、前記炉壁の炉内側表面と当該遮熱層とが接触しないように設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気相成長装置である。
【００２２】
請求項６に係る発明は、前記遮熱層による前記底壁の炉内側表面の被覆率が、８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気相成長装置である。
【００２３】
請求項７に係る発明は、前記遮熱層が、複数の領域に分割可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の気相成長装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の気相成長装置によれば、反応炉の炉壁の炉内側表面に、当該反応炉内の熱の伝達を阻害する遮熱層を設ける構成となっている。この遮熱層により、炉壁の炉内側表面と炉外側表面との温度差を所要範囲内とすることができるため、反応炉内の熱による反応炉（すなわち、反応炉を構成する炉壁）の変形を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した一実施形態である気相成長装置の構成を示す断面模式図である。
【図２】本実施形態の気相成長装置を構成する底壁を被覆する、遮熱層の構成の一例を示す平面図である。
【図３】本実施形態の気相成長装置における遮熱層を構成する遮熱部材の一例を示す断面図である。
【図４】本実施形態の気相成長措置における遮熱層の構成の変形例を示す平面図である。
【図５】本実施形態の気相成長措置における遮熱部材の構成の変形例を示す断面図である。
【図６】従来の気相成長装置の構成を示す断面模式図である。
【図７】従来の気相成長装置の、反応炉内が高温状態となった際の炉壁の湾曲状態を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置について、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。
【００２７】
先ず、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置の構成について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置の構成を示す断面模式図である。
図１に示すように、本実施形態の気相成長装置１は、円板状の底壁２、上記底壁２の外周端から立設する筒状の側壁３及び上記側壁３の上方の開口部を閉塞する上蓋４を有する反応炉５と、この反応炉５内に、原料ガス６を噴出させるノズル７と、底壁２を貫通してノズル７に原料ガス６を供給する原料ガス供給配管８と、基板９を載置するサセプタ１０と、サセプタ１０の下方に配置されており、基板９を加熱するヒーター（加熱手段）１１と、サセプタ１０の上方に、当該サセプタ１０および基板９の上面と平行となるように配置された対向板１２と、を備えて概略構成されている。
【００２８】
より具体的には、反応炉５を構成する底壁２、側壁３及び上蓋４の材質としては、ステンレス、インコネル、ハステロイ等を挙げることができる。
底壁２の大きさは、特に限定されるものではないが、円板の中心からの距離（すなわち、半径）が、３００〜５００ｍｍの範囲であればよく、３５０〜４５０ｍｍの範囲がより好ましい。この場合、成膜の品質に影響がでない反応炉底壁中心の歪み（持ち上がり）の許容値は１．０ｍｍ程度となる。
【００２９】
ノズル７は、反応炉５の炉内空間のほぼ中央に位置するように配置されている。また、ノズル７の噴出口は、サセプタ１０の上面およびサセプタ１０上に載置された基板９の上面と平行であり、３６０度円周方向に向いている。このノズル７は、反応炉５の外側から原料ガス供給配管８を介して供給される原料ガス６を、９０度水平方向に向きを変えて噴出させている。
【００３０】
原料ガス供給配管８は、ステンレス等の材質からなる筒状の部材である。また、原料ガス供給配管８は、底壁２を貫通するとともに、この底壁２に接続されて固定されている。
【００３１】
サセプタ１０は、ＳｉＣコートカーボン、ＳｉＣバルク材等の材質からなる円板状の部材である。サセプタ１０の中心にはノズル７が配設されており、このノズル７を中心に同心円状に複数枚の基板９を載置することができる。
【００３２】
対向板１２は、薄い円板状の部材である。また、対向板１２は、サセプタ１０の上方に、サセプタ１０と平行となるように配置されている。また、対向板１２の底面とサセプタ１０の上面とは、数ｍｍ程度離間されている。ここで、サセプタ１０の上面と対向板１２の底面との間の空間は、反応流路１３となる。すなわち、反応炉５内中心のノズル７から放出された原料ガス６は、サセプタ１０の上面と対向板１２との間の反応流路１３を経て、当該サセプタ１０の外周に向かって流れることになる。
【００３３】
一方、サセプタ１０と対向板１２との間隔（すなわち、サセプタ１０の上面からの対向板１２の底面までの高さ）は、反応流路幅Ｗと呼ばれている。この反応流路幅Ｗは、半導体成膜反応に適した幅となるように、サセプタ１０の面内で一律になるように精密に調整されている。
【００３４】
反応炉５内のサセプタ１０の外周側の、トーラス形状の空間は、反応後の原料ガスを排出前に一時溜める排気ガスバッファ溝１４となっており、排気ガスの偏流を防止する働きをする。また、排気ガスバッファ溝１４の下方に位置する底壁２には排気口１５が設けられており、排気口１５から反応炉５の外側に排気ガスが排出される。
【００３５】
本実施形態の気相成長装置１は、図１に示すように、反応炉５を構成する底壁２、側壁３及び上蓋４の各炉壁の炉内側の内側に、当該反応炉５内の熱の伝達を阻害する遮熱層１６が設けられていることを特徴としている。
【００３６】
ここで、遮熱層１６による炉壁の炉内側表面の被覆率は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。
特に、本実施形態の気相成長装置１は、図１に示すように、底壁２に原料ガス供給配管８やサセプタ１０が接続されて固定されているため、底壁２の炉内側表面の被覆率は、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
【００３７】
図２は、本実施形態の気相成長装置１を構成する底壁２を被覆する遮熱層１６の構成の一例を示す平面図である。図２に示すように、遮熱層１６は、底壁２の炉内側表面を被覆するように配設された遮熱部材１７によって構成されている。この遮熱部材１７は、複数のラインが分流された形状となっている。また、遮熱部材１７には、内部に冷媒を供給するための供給口１７ａと、内部から冷媒を排出するための排出口１７ｂとが設けられている。
【００３８】
このような構成の遮熱層１５によって底壁２を被覆することにより、底壁２の炉内側表面の被覆率は、ほぼ１００％となり、例えば、ヒーター１１によって反応炉５の炉内の温度が上昇した際に、当該反応炉５内の熱が底壁２の炉内側表面に直接伝わることを阻害することができる。
【００３９】
図３は、本実施形態の気相成長装置１における遮熱層１６を構成する遮熱部材１７の一例を示す断面図である。図３に示すように、遮熱部材１７は、ステンレス（ＳＵＳ）製の配管１８と冷却水１９とからなる冷却手段２０と反射層２１とを含む積層構造となっている。遮熱部材１７が、冷却手段を備えているため、反応炉５内の熱が底壁２の炉内側表面に伝わることを効果的に阻害することができる。また、反射層２１によって、反応炉５の炉内の熱を炉内側に反射することができるため、反応炉５内の熱が底壁２の炉内側表面に伝わることを阻害するとともに、炉内の熱効率を高めて生産性を向上することができる。
【００４０】
さらに、図３に示すように、遮熱部材１７から構成される遮熱層１６を炉壁の炉内側表面に配設する際に、敷設台２２を用いても良い。このように敷設台２２を介して遮熱層１６を配設することにより、遮熱層１６と炉壁の炉内側表面との間に空気層が設けられることになる。この空気層を設けることにより、遮熱層１６から底壁２の炉内側表面に熱が伝導することを阻害することができる。
【００４１】
なお、敷設台２２を用いる構成に限定されるものではなく、遮熱部材１７から構成される遮熱層１６を、炉壁の炉内側表面に直接配設してもよい。この場合は、冷却水の温度を制御することで炉壁の内側表面の温度を調節しやすく、外側と同じ温度に保ち、炉壁の変形を効率よく防ぐことができる。
【００４２】
ところで、図６及び図７に示すように、従来の気相成長装置１０１において、例えば、成膜温度を１０００℃とした際にヒーター温度は約１，１００度程度となる。ここで、底壁１０２には遮熱層１６が設けられていないため、底壁１０２の炉内側の表面温度は、約３００度程度となる。これに対して、底壁１０２の炉外側の表面温度は、約５０度程度となる。
例えば、底壁１０２が材質ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１．８×１０−５／℃）によって構成されている場合、円板の中心からの距離（すなわち、半径）が４００ｍｍの位置では、底壁１０２の中心に対して約４ｍｍ程度の歪み（持ち上がり）が生じるおそれがある（図７を参照）。
【００４３】
これに対して、本実施形態の気相成長装置１では、例えば、成膜温度を１０００℃とした際にヒーター温度は約１，１００度程度となる。ここで、図１及び図３に示すように、底壁２の表面に設けられた遮熱層１６の炉内側の表面１６ａの温度は、約３００度程度となる。これに対して、遮熱層１６の炉外側の表面１６ｂの温度は、約５０度程度となる。さらに、底壁２の炉内側の表面温度は、約４０度程度となる。これに対して、底壁２の炉外側の表面温度は、約３０度程度となる。
例えば、底壁２が材質ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１．８×１０−５／℃）によって構成されている場合、円板の中心からの距離（すなわち、半径）が４００ｍｍの位では、底壁２の中心に対する歪み（持ち上がり）は、０．２ｍｍ未満に抑制することができる。
また、底壁２の遮断層１６の被覆率が９０％の場合では、歪み（持ち上がり）は約０．６ｍｍ、８０％の場合では、歪み（持ち上がり）は約１．０ｍｍとなり、８０％以上の被覆率であれば、気相成長装置が許容できる値である、１．０ｍｍ未満を満たすことができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の気相成長装置１によれば、反応炉５の炉壁の炉内側表面に、当該反応炉５内の熱の伝達を阻害する遮熱層１６を設ける構成となっている。この遮熱層１６により、炉壁の炉内側表面と炉外側表面との温度差を、所要の範囲内となるように制御することができるため、反応炉内の熱による反応炉５（すなわち、反応炉を構成する炉壁）の変形を防ぐことができる。したがって、炉内部品の位置のズレや寸法の精度を低下させることがなく、成膜の品質を維持することができる。
【００４５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上述した実施形態の気相成長装置１によれば、基板９上の成膜の成長面は基板上側となっているが、これに限定されるものではない。基板９上への不純物の付着防止の観点から、基板９をサセプタ１０の下側の面となるように設置して、成膜の成長面が基板９の下側としてもよい。また、底壁２を貫通して原料ガス供給配管８は、上蓋４を貫通するように設けてもよい。さらに、対向板１２は、サセプタ１０の下方に設けてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態の気相成長装置１では、図２に示すように、遮熱層１６が一体物の場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、図４に示すように、４分割された遮熱ユニット２７Ａ〜Ｄを組み合わせた構成の遮熱層２６としてもよい。
【００４７】
また、反応炉内の温度を測定し、炉壁の温度分布を把握するとともに、対象となる炉壁の炉内側の表面にそれぞれ独立した遮熱層を設置する構成としてもよい。これにより、独立に冷却水の温度を制御することができるため、より高い精度で炉壁の温度の上昇を防ぐことができる。すなわち、より高い精度で炉壁の変形を防ぐことになる。
【００４８】
また、遮熱層は、炉壁の全面に設ける場合に限定されない。炉壁の変形を抑制する必要がある個所に対してのみ遮熱層が設けられている構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態の気相成長装置１では、遮熱部材１７が冷却手段２０と反射層２１とを含む積層構造の場合を例として説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、冷却手段のみからなる単層構造であってもよい。また、例えば、図５に示すように、断熱材３３からなる層をさらに含み、この断熱材３３の中に冷却手段２０を埋め込んだ積層構造を有する遮熱部材３７としてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・気相成長装置
２・・・底壁
３・・・側壁
４・・・上蓋
５・・・反応炉
６・・・原料ガス
７・・・ノズル
８・・・原料ガス供給配管
９・・・基板
１０・・・サセプタ
１１・・・ヒーター（加熱手段）
１２・・・対向板
１３・・・反応流路
１４・・・排気ガスバッファ溝
１５・・・排気口
１６，２６・・・遮熱層
１７，３７・・・遮熱部材
１８・・・配管
１９・・・冷却水
２０・・・冷却手段
２１・・・反射層
３３・・・断熱材
Ｗ・・・反応流路幅
【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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【図７】
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