(57)【要約】      （修正有）【課題】サセプタの安定回転を図ると共にウエハの面内温度分布特性を向上させること。【解決手段】ウエハＷを一方の主面３Ａにおいて保持するためのウエハホルダ３をサセプタ本体２に回転可能に配設して成る気相成長用サセプタにおいて、ウエハホルダ３の他方の主面３Ｃに、軸径をウエハＷの直径寸法以上とした軸部３２を設け、ウエハホルダ３を軸部３２によってサセプタ本体２に回転可能に支持されるよう取り付け、軸部３２の外端面３２Ａを加熱したときにウエハＷの表面の温度分布が均一となるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハを保持するためのウエハホルダをサセプタ本体に回転可能に配設して成る気相成長用サセプタにおいて、前記ウエハホルダが前記ウエハが装着される一方の主面とは反対側の他方の主面に軸部を具え、前記ウエハホルダが前記軸部によって回転可能に支持されるよう前記サセプタ本体に取り付けられており、前記軸部の外径寸法が前記ウエハの直径寸法以上であることを特徴とする気相成長用サセプタ。
【請求項２】
前記軸部が前記サセプタ本体に摺動材又は金属材料を介して取り付けられており、前記軸部と前記摺動材又は金属材料との間の摺動により前記ウエハホルダが前記サセプタ本体に対して回転可能となっている請求項１記載の気相成長用サセプタ。
【請求項３】
前記摺動材が黒鉛又はボロンナイトライドから成る請求項２記載の気相成長用サセプタ。
【請求項４】
前記金属材料がモリブデン、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、ニッケル基超耐熱合金又はコバルト基超耐熱合金から成る請求項２記載の気相成長用サセプタ。
【請求項５】
前記ウエハホルダ内部に前記ウエハの面内温度分布の不均一性を小さくするための空間部が設けられている請求項１記載の気相成長用サセプタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【特許文献１】
特開平１−１５３５９７号公報
【特許文献２】
特開平８−２０８３８３号公報
【特許文献３】
特開平１０−１１６７９１号公報
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長用サセプタに関し、特にバレル型の気相成長装置に用いるのに好適な気相成長用サセプタに関する。
【０００３】
【従来の技術】
半導体ウエハが設置された反応器内に原料ガスを導入し、加熱装置によって該半導体ウエハを加熱してその表面上に半導体単結晶薄膜を気相成長により成膜させるための気相成長装置として、従来から各種の自公転型の気相成長装置が用いられている。その中でも、バレル型気相成長装置はウエハを縦にして支持する構成であるから、多数枚のウエハを収容することができる経済的な薄膜成長装置である。
【０００４】
従来のバレル型気相成長装置は、特許文献１及び２に開示されているように、反応炉内に回転可能に設けられた角錐台形のサセプタの外側面に円板状のウエハホルダを回転自在に設けたもので、サセプタを回転させつつウエハホルダも回転させることにより、ウエハホルダに取り付けられたウエハを反応炉に対して公転させつつ自転させ、これにより半導体結晶薄膜をウエハ上に均一に成膜できる構成となっている。
【０００５】
これらの従来装置は、ウエハホルダをサセプタの外側面に形成された凹部内に収容して回転させるため、ウエハホルダの裏面側に細径の軸部を設け、この軸部を凹部の底に設けられた貫通孔に嵌め込まれているベアリング装置によって回転自在に支持する構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のサセプタにあっては、ウエハホルダの裏面側に細径の軸部が設けられているため、サセプタの内部に配設されている加熱装置によってウエハを所定の成長温度に加熱しようとすると、その裏面に設けられている細径の軸部のために、サセプタ内部からの加熱では輻射加熱による温度の不均一が生じることとなる。この結果、ウエハ表面の温度分布が均一となるように加熱することができないばかりか、ウエハの軸部に対応する表面部分の温度が大きく低下してしまうという問題点を有している。
【０００７】
また、気相成長用サセプタの材料は成長薄膜に対する不純物混入の問題から一般的に金属材料以外の材料を用いるので、サセプタとウエハホルダとの嵌め合い精度が低下する傾向を有している。そのため、ウエハホルダを細径の軸部によって回転自在に支持する構成では、摺動材とサセプタ、或いは、ウエハホルダと摺動材との間の嵌め合いが不均一になりやすく、ウエハホルダが自転する際に振動や偏心が発生し易いので、成長後のウエハの膜厚不均一やウエハ面内での電気的特性の不均一の問題が生じている。
【０００８】
この点に関し、特許文献３には、ウエハの大きさ以上の摺動外径をもつトレーをスラスト軸受で保持するようにした構成が開示されている。しかし、気相成長装置にあっては、反応ガスが分解することによって生成される微細な粒子が各部材の隙間に入りこむため、特許文献３に開示されている装置の如く、球体を用いた軸受をそのままサセプタに使用した場合、成長回数が多くなるにつれてウエハホルダの回転の円滑さが次第に阻害され、ついには歯車やサセプタの破損を引き起こすという問題点を有している。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる気相成長用サセプタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、ウエハを保持するためのウエハホルダをサセプタ本体に回転可能に配設して成る気相成長用サセプタにおいて、前記ウエハホルダが前記ウエハが装着される一方の主面とは反対側の他方の主面に軸部を具え、前記ウエハホルダが前記軸部によって回転可能に支持されるよう前記サセプタ本体に取り付けられており、前記軸部の外径寸法が前記ウエハの直径寸法以上であることを特徴とする気相成長用サセプタが提案される。
【００１１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記軸部が前記サセプタ本体に摺動材又は金属材料を介して取り付けられており、前記軸部と前記摺動材又は金属材料との間の摺動により前記ウエハホルダが前記サセプタ本体に対して回転可能となっている気相成長用サセプタが提案される。
【００１２】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記摺動材が黒鉛又はボロンナイトライドから成る気相成長用サセプタが提案される。
【００１３】
請求項４の発明によれば、請求項２の発明において、前記金属材料がモリブデン、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、ニッケル基超耐熱合金又はコバルト基超耐熱合金から成る気相成長用サセプタが提案される。
【００１４】
請求項５の発明によれば、請求項１の発明において、前記ウエハホルダ内部に前記ウエハの面内温度分布の不均一性を小さくするための空間部が設けられている気相成長用サセプタが提案される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による気相成長用サセプタの実施の形態の一例を示す概略構成図である。気相成長用サセプタ１は、３−５族化合物半導体ウエハ等を有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）により製造するための半導体製造装置に用いることができるものである。本実施の形態では、ＭＯＣＶＤ反応炉（図示せず）内にウエハＷを複数枚縦に支持して自公転させるようにしたバレル型気相成長装置用の気相成長サセプタの例が示されている。
【００１７】
気相成長用サセプタ１は多角錐の形状のサセプタ本体２を備え、サセプタ本体２の外側面の各ウエハ取付面２Ａにはウエハホルダ３が設けられている。ウエハホルダ３は、ウエハＷをその平坦性を保った状態で保持すると共にウエハ取付面２Ａの面内で回転させてウエハＷに自転運動を与えるための、円盤状の形態の部材である。ウエハホルダ３は後述するようにしてサセプタ本体２に回転可能に取り付けられており、サセプタ本体２の下方に設けられている固定用歯車４と協働して、サセプタ本体２の回転時に所要の回転力がウエハホルダ３に付与される構成となっている。
【００１８】
サセプタ１、ウエハホルダ３、固定用歯車４に用いることができる材質として、黒鉛、ボロンナイトライド、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、ステンレス、モリブデン、タングステン、チタン等を挙げることができるが、使用する原料ガスの種類によっては耐食性を持たせるために、黒鉛やボロンナイトライドの表面を炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミでコーティングすることにより、使用寿命を伸ばすことができる。しかしながら、本発明は部材の材質によって限定されるものではない。
【００１９】
図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図２に示されているウエハホルダ３を拡大して示した図である。ウエハホルダ３は均一な厚みｔを有する本体部３１を含む略円盤状の部材である。ウエハホルダ３の一方の主面３Ａには、ウエハＷの厚さと略等しい深さを有するウエハＷを収容、保持するための凹部３Ｂが形成されており、ウエハＷはこの凹部３Ｂに収容、保持されることによりその平坦性を保ってウエハホルダ３に取り付けられる構成となっている。
【００２０】
ウエハホルダ３の一方の主面３Ａとは反対側の他方の主面３Ｃには、ウエハホルダ３をサセプタ本体２に安定した状態にて回転可能なように支持させることができるようにするため、太径の軸部３２がウエハホルダ３の本体部３１と一体で且つ同軸に形成されている。そして、軸部３２の軸径ｄ２は凹部３Ｂの直径ｄ１以上となっており、この結果、凹部３Ｂの底面３Ｂａと軸部３２の外端面３２Ａとの間の厚みｘは凹部３Ｂの底面３Ｂａのどこでも同じとなっている。
【００２１】
ここで、ｄ１とｄ２の関係はｄ１≦ｄ２であるが、好ましくはｄ１≦ｄ２≦２×ｄ１、さらに好ましくはｄ１≦ｄ２≦１．５×ｄ１である。ｄ２がｄ１の２倍より大きくした場合は、軸部３２から本体部３１に伝わる熱流のバランスが悪化する傾向にあり、ウエハの熱均一化が低下する傾向にある。また、底面３Ｂａと軸部３２の外端面３２Ａとの間の厚みＸは、本体部３１の厚さｔとの関係において、２×ｔ≦Ｘ≦１０×ｔを満たすことが好ましい。Ｘがｔの２倍未満では、軸部３２の厚さが小さくなるため、摺動が不安定になる傾向にある。また、ｔの１０倍より大きい場合は、その厚さにより軸部３２で温度分布が発生する傾向にあり、ウエハの均熱化が低下する傾向にある。
【００２２】
一方、サセプタ本体２のウエハ取付面２Ａ側には、図２に示されるように、ウエハホルダ３を収容するため、ウエハホルダ３の形状に相応した段付孔２１が形成されている。段付孔２１の小径部２１Ａの内周面にはリング状の摺動材又は金属材料５が嵌め込まれており、摺動材又は金属材料５の内周側に軸部３２が受け入れられている。そして、軸部３２の外周面３２Ｂが摺動材又は金属材料５の内周面５Ａと摺動することによって軸部３２がサセプタ本体２に対して回転可能となっている。
【００２３】
ここで、摺動材としては、例えば黒鉛、ボロンナイトライド等が用いられる。また、金属材料としては、表面粗さが最大高さで通常２５ミクロン以下のものが使用される。好ましくは、６．３ミクロン以下である。最大高さが２５ミクロンより大きいと表面の摩擦係数が増加し、回転が不安定になる傾向にある。かかる金属材料は、気相成長に悪影響を与えない高融点であるものが好ましい。なかでもモリブデン、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、ニッケル基超耐熱合金、コバルト基超耐熱合金等が、機械加工性が良く、材料の蒸気圧が高いため気相成長反応炉の汚染が少ないので、材料として好適である。なお、金属材料は、これを用いると摺動時の摩擦抵抗によって回転が不安定になると考えられていたが、本発明者らにより、金属材料を用いることによっても円滑な回転が得られることが見出された。
【００２４】
ウエハホルダ３の本体部３１の外周面には歯３１Ｔが形成されており、歯３１Ｔは固定用歯車４の歯４Ｔと噛合している。本体部３１の厚さｔは、歯車の歯幅に相当し、歯車の材質や作用するトルク等から歯車の計算式により求めることができる。固定用歯車４は図示しないフレーム等に固定されており、一方、サセプタ本体２は固定用歯車４の軸線と同軸の軸線を中心に図示しない駆動機構によって回転せしめられるので、サセプタ本体２の回転（公転）に伴ってウエハホルダ３は摺動材又は金属材料５により安定に支持されつつ軸部３２により円滑に回転（自転）することができる構成となっている。
【００２５】
サセプタ本体２の内側には、例えば加熱用赤外線ランプ（図示せず）が配設され、これによりウエハホルダ３を加熱し、ウエハＷの表面温度を所要の成長温度とすることができるように構成されている。この結果、例えば原料ガスがウエハＷの表面に沿って流れた場合に、ウエハＷ上で原料ガスに含まれる有機金属が熱分解してウエハＷ上に所要の化合物半導体薄膜結晶層をエピタキシャル成長させることができる。
【００２６】
気相成長用サセプタ１は以上のように構成されているので、サセプタ本体２を図示しない回転駆動装置によって矢印Ｙ方向（図１参照）に回転させるとウエハホルダ３はサセプタ本体２上で回転し、これによりウエハホルダ３に取り付けられたウエハＷをＭＯＣＶＤ反応炉内で自公転運動させることができる。ウエハホルダ３の他方の主面３Ｃに設けられている軸部３２はその軸径ｄ２が充分に大きいので、ウエハホルダ３を摺動材又は金属材料５によって軸ぶれを生じさせることなく安定に支持することができ、且つ円滑に回転させることができる。
【００２７】
さらに、軸部３１の軸径ｄ２は、凹部３Ｂの直径ｄ１、すなわちウエハＷの直径寸法以上とされているので、凹部３Ｂの底面３Ｂａと軸部３２の外端面３２Ａとの間の厚みは底面３Ｂａのどこでも均一な厚みｘとなり、サセプタ本体２の内側に配設されている加熱源からの熱が軸部３２の外端面３２ＡからウエハＷの全面に亘って均一に伝達される。このように、軸部３２の軸径ｄ２を大きくして凹部３Ｂの底面３Ｂａのどこでもその底厚が均一となるようにしたので、ウエハＷの表面の温度分布の均一化を図ることができ、ウエハＷの表面に所要の半導体単結晶薄膜を均一な厚さに形成するのに役立つ。
【００２８】
サセプタ本体２及びウエハホルダ３の各材料が黒鉛又はボロンナイトライトである場合には、両者を直接摺動させても円滑な摺動が可能となるので、このような場合には各部材の表面のコーティングをやめて材料を露出させて両者を直接摺動させるようにし、摺動材又は金属材料５を省略することもできる。
【００２９】
図４には、図３に示されるウエハホルダ３の変形例が示されている。図４に示されているウエハホルダ３’は、その内部に空間部３３が設けられ、これによりウエハＷの面内温度分布の不均一性をより一層小さくすることができる構成となっている点で、図３に示したウエハホルダ３と異なっており、その他の構成はウエハホルダ３と同様である。したがって、ウエハホルダ３’の各部のうちウエハホルダ３の各部と同一の部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３０】
図４に示したウエハホルダ３’は第１部材３４と第２部材３５とから成る２ピース構造であり、第２部材３５の凹部３５Ａ内に該凹部３５Ａの深さ寸法よりも小さい厚みの第１部材３４を、第２部材３５の表面３５Ｓと第１部材３４の表面３４Ｓが同一レベルとなるように収納し、これにより第２部材３５と第１部材３４との間に空間部３３を形成している。この空間部３３は、ウエハＷと軸部３２との間に円筒状の形態に設けられており、その直径寸法ｄ３は、ｄ１≦ｄ３≦ｄ２となっている。好ましくはｄ１≦ｄ３≦（ｄ１＋ｄ２）／２である。ｄ３がｄ１未満乃至はｄ２より大きい場合は、空間部３３を設け、第２部材３５のもつ熱量を輻射により、均一に第１部材３４に伝え、ウエハの均熱化を図るという目的が低減するので好ましくない。なお、ウエハホルダ３’においては、軸部３２は第２部材３５にウエハホルダ３の場合と同様にして形成されている。本実施の形態では、凹部３５Ａの底面と周面との境界部に現状の段部３５Ａａを設け、これにより空間部３３を確保する構成となっている。しかし、空間部３３を確保する構成はこの一例に限定されるものではなく、適宜の構成を採用できることは勿論である。
【００３１】
空間部３３は、第１部材３４と第２部材３５との間で第１部材３４から第２部材３５への伝達熱量を第２部材３５の周縁部と中央部とで異ならせるようにするためのものである。ウエハＷと軸部３２との間に空間部３３を設けることにより、軸部３２の外端面３２ＡからウエハＷへの熱の伝達を適宜に調節することができる。
【００３２】
すなわち、第１部材３４と第２部材３５との間に形成される空間部３３のために、適宜の加熱源によって軸部３２の外端面３２Ａが加熱された場合、加熱による熱が軸部３２を通って空間部３３に均一に伝達されるのはウエハホルダ３の場合と同様であるが、第２部材３５から第１部材３４への熱の伝達は、第１部材３４の周縁部を通って直接伝達する形態と、空間部３３を介して輻射によって伝達する形態との２つの形態が生じることになる。
【００３３】
この結果、第１部材３４に取り付けられたウエハＷの表面で半径方向への放熱が生じ、これによるウエハＷの表面温度の不均一性が生じる場合であっても、空間部３３の厚さを適宜に定めることにより、２つの熱伝達形態のバランスを調節し、これによりウエハＷの表面の温度分布の均一化をより一層高めることができる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
図１乃至図３に示した構成の気相成長用サセプタの各部材をグラファイトを材料として用いて作製し、その表面に炭化ケイ素をコーティングした。ウエハホルダ３は２インチ用（ウエハＷの直径寸法が５０ｍｍ）とし、軸部３２の軸径ｄ２は５３ｍｍとした。摺動材５としてボロンナイトライド（デンカ（株）製、ＳＢＮ７０）を用いた。
【００３５】
そして、ウエハホルダ３の温度分布を測定した。着目した１つのウエハホルダ３内で、表面からの深さが３．５ｍｍのウエハホルダ３の中央部とウエハホルダ端部（中央より外側へ２０ｍｍの位置）に熱電対を設置し、水素ガスを２４０ＳＬＭ流しながら、自公転を停止させてサセプタの内部より８６ｋＷで加熱した。加熱開始から３０分後の平衡状態で、ウエハホルダ中央とウエハホルダ端部の温度は、それぞれ１０７５℃、１０７２℃であった。
【００３６】
次に、ウエハ面内の成長膜厚分布を測定した。直径５０ｍｍのサファイア基板を複数枚のサセプタに設置し、成長中はサファイア基板の自公転運動を行いながら、所要の原料ガスをサファイア基板上へ供給し、厚さ２．５μｍを目標に窒化ガリウム層の成膜を行った。成長温度は１０００℃で、キャリアガスとして水素を用い、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアを原料ガスとして用いた。窒素ガリウム層の成長後、直ちにＴＭＧの供給を止め冷却を行い、基板温度が４００℃になった時点でアンモニアの供給も止めた。サファイア基板が十分冷却された後、反応炉を窒素で置換しサファイア基板を取外した。窒素ガリウム層が成長したサファイア基板の一つについて成長膜厚を測定した。その結果を図５に示す。
【００３７】
図５は横軸をサファイア基板のセンター（０ｍｍの位置）からエッジに向けての距離をとり、サファイア基板上に形成されたエピタキシャル結晶成長層の厚みがセンターからエッジに向けてどのように変化しているかを測定した結果をグラフにして示したものであり、膜厚の分布を示すものである。図５から膜厚が均一となっていることが判る。
【００３８】
（比較例１）
実施例１と同形状、同材質の気相成長用サセプタで、軸部３２の軸径ｄ２を８ｍｍとした点のみが異なる気相成長用サセプタを作製した。ウエハホルダ３は同じく２インチ用（ウエハの直径は５０ｍｍ）である。
【００３９】
ウエハホルダの温度分布測定
実施例１と同一の条件でウエハホルダ３内の温度分布を測定した。加熱開始から３０分後の平衡状態で、ウエハホルダ中央とウエハホルダ端部の温度は、それぞれ１０３１℃、１０３６℃であった。
【００４０】
ウエハ面内の成長膜厚分布測定
実施例１と同等の方法で２．５μｍを目標に窒化ガリウム（ＧａＮ）層の成膜を行った。成長膜厚を測定した結果を実施例１の場合と同様にしてグラフ化したものを図６に示す。
【００４１】
図５と図６を比較すると、実施例１の場合の方がウエハ面内の膜厚の均一性が優れていることが判る。成長条件は、軸部３２の軸径が異なるだけであることを考慮すると、軸部３２の軸径ｄ２を凹部３Ｂの直径ｄ１以上としたことによりウエハの表面の温度分布の均一性が格段に改良されていることが判る。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の気相成長用サセプタによれば、ウエハの表面の温度分布の均一性を改良することができ、また、ウエハが自公転する時の振動を少なくして、ウエハ面上に高品質の薄膜成長を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気相成長用サセプタの実施の形態の一例を示す概略構成図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図２に示したウエハホルダの拡大断面図。
【図４】図３に示したウエハホルダの変形例を示す断面図。
【図５】実施例１の測定結果を示すグラフ。
【図６】比較例１の測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１  気相成長用サセプタ
２  サセプタ本体
３  ウエハホルダ
４  固定用歯車
５  摺動材又は金属材料
３Ａ  一方の主面
３Ｂ  凹部
３Ｂａ  底面
３Ｃ  他方の主面
３１  本体部
３２  軸部
３２Ａ  外端面
Ｗ  ウエハ
【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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