(57)【要約】【課題】基板温度を適切な分布に制御し、複数枚の基板の成膜時、温度分布の均一性を高めることのできるＣＶＤ装置を提供することである。【解決手段】化学的気相成長によって基板上に膜を形成するＣＶＤ装置において、基板５を保持するサセプタであって、サセプタは、３分割構造を有し、基板５を保持する基板サセプタ２と、基板サセプタ２の上部に外部から導入されるガス流路を確保するための空隙を有して配置される円柱状の上サセプタ１と、基板サセプタ２の下部にガス流路を確保するための空隙を有して配置される円筒状の下サセプタ３と、サセプタを発熱させるために断熱材４を介して当該サセプタの周囲に配置される高周波コイルと、を備え、基板サセプタ２は、上サセプタ１とともに所定の角度で傾斜して配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的気相成長によって基板上に膜を形成するＣＶＤ装置において基板を保持するサセプタであって、
前記サセプタは、３分割構造を有し、
前記基板を保持する基板サセプタと、
前記基板サセプタの上部に外部から導入されるガス流路を確保するための空隙を有して配置される円柱状の上サセプタと、
前記基板サセプタの下部に前記ガス流路を確保するための空隙を有して配置される円筒状の下サセプタと、
前記サセプタを発熱させるために断熱材を介して当該サセプタの周囲に配置される高周波コイルと、を備え、
前記基板サセプタは、前記上サセプタとともに所定の角度で傾斜して配置されることを特徴とするサセプタ。
【請求項２】
前記上サセプタの厚みをａ、所定の傾斜角度をθとすると、θ＞１／(０．００３×a−０．３１４）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
【請求項３】
前記上サセプタは、基板サセプタ側の他面側に円柱状の最外周部から円柱の中心に向かって傾斜する円錐状の切り込み溝を有することを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
【請求項４】
前記上サセプタに形成される逆円錐状の切り込み溝は、当該上サセプタ面の最外周部から１０ｍｍ以上離れた位置から形成されることを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
【請求項５】
前記上サセプタに形成される逆円錐状の切り込み溝の上部には、該逆円錐状の切り込み溝に沿って断熱材が配置されることを特徴とする請求項１に記載のサセプタ。
【請求項６】
請求項１に記載のサセプタを備え、前記下サセプタと基板サセプタの中心部に外部から導入されるガスを噴出する円筒状の中空菅を有するＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造等において化学的気相成長（ＣＶＤ）法で用いるサセプタ、及びそのサセプタを用いたＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高電圧及び高電流を制御、変換するパワーデバイスが電力、交通、家電等広範囲に渡り利用されているが、その更なる高性能化や省エネルギー等のための低損失化が求められている。さらに、宇宙、地底、深海など過酷な環境下においても安定的に使用可能な制御デバイスが要求されている。
【０００３】
従来、パワーデバイスの半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）が使用されている。ＬＳＩ加工技術を利用し、デバイス構造を工夫すること等によりシリコンデバイス性能を向上させてきたが、最近ではデバイス性能がシリコン材料そのものから予想される理論的限界に近づきつつある。
【０００４】
また、高温、高圧等の過酷な環境下においては、電気的特性及び力学的、化学的安定性から、シリコンをデバイス材料として使用するのは実質上不可能である。最近の上記パワーデバイス分野及び過酷な環境下での使用に耐えるデバイス分野で、電気的特性及び力学的、化学的安定性から、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）がシリコンに代わる材料として注目されている。
【０００５】
従来、半導体装置の製造過程において利用される成膜装置として、化学的気相成長（ＣＶＤ）法を利用する化学的気相成長（ＣＶＤ）装置が利用されている。シリコンカーバイトをシリコンに代わる材料とするパワーデバイス研究においても、シリコンカーバイトを半導体材料としたデバイスを製造する技術としてＣＶＤ法が頻繁に使用されている。
【０００６】
このＣＶＤ法では、その気相成長の際に装置内を高温状態にする必要があり、その加熱に高周波加熱が広く採用されている。
【０００７】
このような高周波加熱を用いた従来のＣＶＤ装置では、多くの場合基板ホルダー（サセプタ）はグラファイトブロックでできている。そして、基板をサセプタ上にセットし、高周波によりサセプタを加熱し、加熱されたサセプタからの伝熱を受けて基板を加熱する。従って、基板温度の均一性はサセプタ面内の均一性によって決定される。
【０００８】
また、従来のＣＶＤ装置では、サセプタは円筒形である場合が多く、この円筒形のサセプタが周囲の高周波コイルによって発生される高周波によって高周波誘導加熱される。
【０００９】
通常使用される円筒形のサセプタ形状では、サセプタに侵入する磁界がサセプタ外側の一部であり、それによる渦電流も限られた領域のみで流れる。発熱はこの渦電流とサセプタの電気抵抗によるジュール発熱により生じるため、サセプタ内での発熱領域もサセプタ外側の限られた領域となる。通常、サセプタの材料としてグラファイトが使用されるが、誘導周波数が数１０ＫＨｚの場合、磁界のグラファイト製サセプタへの侵入深さは約１ｃｍ程度となる。サセプタの直径が大きくなると、サセプタ中央付近に渦電流が流れない領域が生じる。
【００１０】
一方、量産性という観点からＣＶＤ法の特長を生かすには、複数の基板を同時に成膜する必要がある。従って、ＣＶＤ法でＳｉＣをエピタキシャル成長させる場合のように、非常に高い温度（１７００℃以上）を必要とする場合、単純な円筒形のサセプタ構造では良好な成長膜を得ることは非常に困難であり、サセプタ構造において新しい発明が必要である。
【００１１】
従来においても、誘導加熱型サセプタの形状に工夫を加えることにより均一な温度分布を狙った技術がある。例えば、従来技術では基板サセプタの中央部に伝熱部を配置し高周波誘導過熱によって加熱されるサセプタの発熱について伝熱部を通して基板サセプタに伝熱することで、基板を均一に加熱し基板温度を均一にすることができると記載されている。（特許文献１参照）しかし、このような局所的な伝熱制御による方法は、３インチ程度の基板の温度分布を均一にすることは可能であるが、複数枚の基板を同時に成膜する場合はサセプタの直径を最低でも６インチ以上にする必要があり、この方法を用いてすべての基板の温度分布均一性を保つことは困難となる。
【特許文献１】特開２００３−８６５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のＣＶＤ装置では、量産段階などにおいて複数枚の基板の成膜時、装置内の温度分布の均一性を高めることに問題があった。本発明の目的は、基板サセプタ及び基板サセプタの上下の上サセプタ、下サセプタの３つのサセプタからなる構成のＣＶＤ装置について、基板サセプタ面内温度を所定のものに制御し基板温度を適切な分布に制御し、複数枚の基板の成膜時、温度分布の均一性を高めることのできるＣＶＤ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、本発明のサセプタは、化学的気相成長によって基板上に膜を形成するＣＶＤ装置において基板を保持するサセプタであって、
前記サセプタは、３分割構造を有し、前記基板を保持する基板サセプタと、前記基板サセプタの上部に外部から導入されるガス流路を確保するための空隙を有して配置される円柱状の上サセプタと、前記基板サセプタの下部に前記ガス流路を確保するための空隙を有して配置される円筒状の下サセプタと、前記サセプタを発熱させるために断熱材を介して当該サセプタの周囲に配置される高周波コイルと、を備え、前記基板サセプタは、前記上サセプタとともに所定の角度で傾斜して配置されることを特徴としたものである。
【００１４】
また、本発明のＣＶＤ装置は、化学的気相成長によって基板上に膜を形成するＣＶＤ装置において、基板を保持するサセプタは、３分割構造を有し、
前記基板を保持する基板サセプタと、前記基板サセプタの上部に外部から導入されるガス流路を確保するための空隙を有して配置される円柱状の上サセプタと、前記基板サセプタの下部に前記ガス流路を確保するための空隙を有して配置される円筒状の下サセプタと、
前記サセプタを発熱させるために断熱材を介して当該サセプタの周囲に配置される高周波コイルと、を備え、前記基板サセプタは、前記上サセプタとともに所定の角度で傾斜して配置され、前記下サセプタと基板サセプタの中心部に外部から導入されるガスを噴出する円筒状の中空菅を有することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のＣＶＤ装置によれば、基板の加熱を適切に制御することができ、基板上への成膜を効果的に行うことができる。特に、シリコンカーバイトのエピタキシャル成長層の形成について成長速度を保ったまま、省電力で形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明のＣＶＤ装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施例におけるＣＶＤ装置の構成図を示す。
【００１８】
発熱源となるサセプタは、円筒形のグラファイトで形成されており、上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３の３つのサセプタで構成されている。
【００１９】
図２に上サセプタ１の構成図を示す。サセプタの中で最上部に配置される上サセプタ１は、円筒形の底面に最外周部から円筒の中心に向かって傾斜する円錐状の切り込み溝を形成している。
【００２０】
次に、図３に基板サセプタ２の構成図を示す。サセプタ中段に配置される基板サセプタは、上サセプタの直下に、ガス原料源を加熱し昇華してガス化したガスなどの流路を確保するため、所定の間隔を保って配置され、基板サセプタ２の上面及び底面は、上サセプタ底面の傾斜（円錐状の切り込み溝）に沿って傾斜している。さらに、基板サセプタ中心部にはシリコンカーバイトの原料となるガスを含むガス流路が形成されており、その流路を形成するための円筒形の中空管６はガス原料源に向かって伸びている。さらに、この中空管６は基板サセプタ２を公転させるための回転中心軸の役割も持っており、この中空管６を回転中心軸にして基板サセプタ２が公転するように設計されている。基板サセプタ２の上面には、ガス流路を中心に３インチの円形基板５を４枚等間隔で配置できる構成となっている。
【００２１】
次に、図４に下サセプタ３の構成図を示す。サセプタ最下部に配置される下サセプタ３は、基板サセプタ下面と基板サセプタの回転中心軸を覆うように、ガスが流れるための所定の間隔を保って形成されている。
【００２２】
さらに上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３の発熱を周囲に逃さないようにするために断熱材４により、ガスが流れるための所定の間隔を保って、上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３を覆うように形成されている。
【００２３】
断熱材４の周囲は、水冷式の２重管７で覆われている。すなわち、ＣＶＤ装置の反応炉は、この水冷式の２重管７によって構成されている。この水冷２重管７は例えば石英ガラスで形成され内部を循環する水によって冷却されると共に、内部の状態を観察できるようになっている。
【００２４】
そして、水冷２重管７の周囲には、高周波コイル８が配置される。高周波コイル８は、上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３の発熱部に対応する位置に配置されており、この高周波コイル８による高周波によって、各サセプタが誘導加熱される。
【００２５】
さらに、高周波コイル８の周囲には、高周波コイル８によって発生する誘導電流をシールドするためのシールド板９が配置される。
【００２６】
また、水冷２重管７の内部は、密閉構造になっており、ここに接続された真空ポンプによって、内部の圧力調整が可能になっている。また、ガス導入部は、所定の反応ガス供給源に接続されており、反応ガスが基板サセプタ２の中空管６と各サセプタの間に形成される流路を通って基板に到達する。さらに、高周波コイル８は、高周波電源に接続されており制御されている。
【００２７】
高周波コイル８により発生する誘導電流によって、ＣＶＤ装置の反応炉内の上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３は誘導加熱される。誘導加熱によって各サセプタは表皮効果の影響により、コイルに近い外周部が加熱しやすく、内部にいくに従って高周波コイル８による誘導加熱の影響は弱くなる。しかしながら、各サセプタは熱伝導により加熱された外周部から内部に熱を伝えることで各サセプタの全体の温度を上昇させる。
【００２８】
本実施形態では、さらに温度勾配が均一になるように、上サセプタ１の温度分布に合わせて上サセプタ底面、基板サセプタ２、下サセプタ上面に傾斜を設けることで各基板の面内温度分布を制御し、基板サセプタ２における全体の温度をほぼ同一に保持することができる。
【００２９】
図５に、分割サセプタで傾斜角が０度の場合の誘導加熱によって加熱されたサセプタの温度分布例を示す。図５の上サセプタ内の数字は、その部分の温度（℃）を示す。通常、各サセプタに傾斜のない構成の場合、誘導加熱によって加熱された上サセプタ１の温度分布は、上サセプタ１の最外周部の上部（断熱材に接する位置）の温度が一番高く、中心部に向かって低くなり、最終的には上サセプタ中心部の底面温度が最低温度となる。図５の場合、上サセプタ１の最高温度は１７４５℃であり、最低温度は１７１０℃であった。さらに、基板の温度分布については、基板温度最大値は基板サセプタ２の最外周部に近い位置の温度であり、基板温度最小値は基板サセプタ２の中心に近い位置の温度であった。図５の場合、基板の最高温度は１７２５℃であり、最低温度は１７１０℃であった。傾斜は、ほぼこの温度等高線に沿って設けるが、この温度分布の傾向は上サセプタ厚みによって変わってくる。
【００３０】
例えば、上サセプタ厚みaが１２０ｍｍ、１６０ｍｍ、２００ｍｍのものについて、各サセプタの傾斜角を変化させた場合の基板温度ばらつきをΔＴ（ΔＴ＝（基板温度最大値―基板温度最小値）／基板平均温度（度Ｃ））と定義する。このとき、基板平均温度＝（基板温度最大値―基板温度最小値）／２とした。
【００３１】
図６に傾斜角θとΔＴの関係のグラフを示す。図６によると、傾斜角をつけるに従って
、基板温度ばらつきは低減されていることが分かる。これは、各サセプタに傾斜角θをつけることにより、基板面内のΔＴが少なくなる位置に近づいているためである。
特に、近年では量産性の効率化のために、基板の大型化、基板内歩留りの向上が求められており、ΔＴ＜０．６％の温度分布が求められている。
図７に、上サセプタ１の厚みaと傾斜角θの逆数１／θの関係のグラフを示す。図７によれば、ΔＴ＜０．６％を満たすために、上サセプタ１の厚みがaのとき、
関係式θ＞１／(０．００３× a − ０．３１４)を満たすような傾斜角θを設けることにより、基板サセプタ上面に配置された基板温度ばらつきΔＴを低減することができることを示している。さらに、傾斜角をつけないときに比べて、１割程度コイル電流を低減することができる。
【００３２】
図６において、例えば、上サセプタ１の厚みがa＝２００ｍｍのとき、傾斜角θを４度より大きくなるように各サセプタを設計すれば、基板温度バラツキΔＴを０．６％より小さくすることができる。また、上サセプタ１の厚みがa＝１６０ｍｍのとき、傾斜角θを７．５度より大きくなるように基板サセプタ２を設計すれば基板温度バラツキΔＴを０．６％より小さくすることができ、基板サセプタ２の厚みａに応じて傾斜角を設定すれば所定の温度バラツキ内に抑えることができる。
【００３３】
次に、上サセプタ１の厚みａ＝１６０ｍｍ、傾斜角７．５度の場合の具体例の温度バラツキの測定例を述べる。
【００３４】
図１の様な構成のＣＶＤ装置の反応炉を構成し、比較のために図８の様な上サセプタ底面、基板サセプタ、下サセプタ上面に傾斜のないものを製作した。両者共にサセプタ直径は４００ｍｍである。そして、水素ガス流量１００L/min、アルゴンガス流量１Ｌ／ｍｉｎ、圧力０．１気圧の条件下で、高周波コイルに７０００Ｈｚの動作周波数で２５０〜６００Ａの高周波電源を投入した。
【００３５】
このとき、比較例の基板サセプタ上にある３インチ基板の平均温度は１６０５℃であり、基板面内温度の最大値と最小値の差は１２℃（ΔＴ≒０．７５％）であった。一方、実施例１の各サセプタに７．５度の傾斜を設けた反応炉では、平均温度は１６０５℃であり、基板面内温度の最大値と最小値の差は１０℃（ΔＴ≒０．６％）であり、ΔＴ＜０．６％を満たすことができる。
【００３６】
これにより、図１のサセプタの構成を有するＣＶＤ装置の反応炉により、基板の温度分布を効果的に改善することができる。
【実施例２】
【００３７】
図９は、本発明の第２の実施例におけるＣＶＤ装置の構成図を示す。発熱源となるサセプタは、実施例１と同様に円筒形のグラファイトで形成されており、上サセプタ１、基板サセプタ２、下サセプタ３の３つのサセプタで構成されている。
【００３８】
実施例１の構成と異なるところは、図１０に示すように、上サセプタ１の上面に傾斜角θの逆円錐状の切り込み溝１４と、逆円錐状の切り込み溝１４に沿って断熱材４を設けた点である。
【００３９】
通常、誘導加熱によりサセプタ外周部は加熱されるが、主に加熱される部分は所詮サセプタ最外周部から１０ｍｍ程度までである。さらに、基板温度分布に影響を与える部分は、上サセプタの底面からの伝熱である。
【００４０】
このような理由から、逆円錐状の切り込み溝１４は、円筒形上面の最外周部から約１０ｍｍの位置から形成されており、この逆円錐状の切り込み溝１４により、サセプタ内部の伝熱は制御され、高周波コイルによって誘導加熱されたサセプタの熱を効率的に上サセプタ１の底面に伝熱することができる。
【００４１】
例えば、上サセプタ１の厚みaが１２０ｍｍ、１６０ｍｍ、２００ｍｍのものについて、上サセプタ１の上面に傾斜角θの逆円錐状の切り込み溝１４を設けた場合の基板温度ばらつきをΔＴ（ΔＴ＝（基板温度最大値―基板温度最小値）／基板平均温度（度））
と定義する。このとき、基板平均温度＝（基板温度最大値―基板温度最小値）／２とした。
【００４２】
図１１に傾斜角θとΔＴの関係のグラフを示す。図１１によると、傾斜角をつけるに従
って、基板温度ばらつきは低減されていることが分かる。
【００４３】
図１２に、上サセプタ１の厚みaと逆円錐状の切り込み溝１４の傾斜角θの逆数θの関係のグラフを示す。図７によれば、ΔＴ＜０．６％を満たすために、上サセプタの厚
みがaのとき、
関係式θ＞−０．４０６３×ａ＋８７．５を満たすような傾斜角θを設けることにより、基板サセプタ２の上面に配置された円形基板５の温度ばらつきΔＴを低減することができることを示している。
【００４４】
図１１において、例えば、上サセプタ１の厚みがa＝２００ｍｍのとき、傾斜角θを７．５度より大きくなるように逆円錐状の切り込み溝１４を設計すれば、基板温度バラツキΔＴを０．６％より小さくすることができる。また、上サセプタ１の厚みがa＝１６０ｍｍのとき、傾斜角θを２０度より大きくなるように逆円錐状の切り込み溝１４を設計すれば基板温度バラツキΔＴを０．６％より小さくすることができ、基板サセプタ２の厚みａに応じて逆円錐状の切り込み溝１４の傾斜角を設定すれば所定の温度バラツキ内に抑えることができる。
【００４５】
（具体例）
次に、上サセプタ１の厚みａ＝１６０ｍｍ、傾斜角２０度の場合の具体例の温度バラツキの測定例を述べる。
【００４６】
図９の様な構成のＣＶＤ装置の反応炉を構成し、比較のために図８の様な上サセプタ１に逆円錐状の切り込み溝１４のないものを製作した。両者共のサセプタ直径は４００ｍｍである。そして、水素ガス流量１００Ｌ／ｍｉｎ、アルゴンガス流量１Ｌ／ｍｉｎ、圧力０．１気圧の条件下で、高周波コイルに７０００Ｈｚの動作周波数で２５０〜６００Ａの高周波電源を投入した。
【００４７】
このとき、比較例の基板サセプタ上にある３インチ基板の平均温度は１６０５℃であり、基板面内温度の最大値と最小値の差は１２℃（ΔＴ≒０．７５％）であった。一方、上サセプタ上面に傾斜角２０度の逆円錐状の切り込み溝を設けた反応炉では、平均温度は１６０５℃、基板面内温度の最大値と最小値の差は１０℃（ΔＴ≒０．６％）であり、ΔＴ＜０．６％を満たすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明にかかるサセプタ形状及びそのサセプタを用いたＣＶＤ装置は、基板の温度分布を改善する効果と、高周波コイル電流を低くすることのできる効果を有し、パワーデバイス成膜量産のための歩留り向上及び省電力化のために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例１におけるＣＶＤ装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施例１における上サセプタの側面及び底面を示す図
【図３】本発明の実施例１における基板サセプタの上面、断面及び底面を示す図
【図４】本発明の実施例１における下サセプタの底面及び断面を示す図
【図５】本発明の実施例１における上サセプタの温度分布を示す図
【図６】本発明の実施例１における傾斜角θと基板温度ばらつきΔＴの関係を示す図
【図７】本発明の実施例１における上サセプタ厚みaと１/θの関係を示す図
【図８】本発明の実施例１における比較のための従来のＣＶＤ装置の構成を示す図
【図９】本発明の実施例２におけるＣＶＤ装置の構成を示す図
【図１０】本発明の実施例２における上サセプタの上面及び側面を示す図
【図１１】本発明の実施例２における傾斜角θと基板温度ばらつきΔＴの関係を示す図
【図１２】本発明の実施例２における上サセプタ厚みaと逆円錐状の切り込み溝の傾斜角θの関係を示す図
【符号の説明】
【００５０】
１  上サセプタ
２  基板サセプタ
３  下サセプタ
４  断熱材
５  円形基板
６  中空管（ガス流路）
７  水冷式の２重管
８  高周波コイル
９  シールド版
１０  上サセプタ側面
１１  上サセプタ底面
１２  基板サセプタ上面
１３  基板サセプタ側面
１４  基板サセプタ下面
１５  下サセプタ上面
１６  下サセプタ側面
１７  逆円錐状の切り込み溝
１８  上サセプタ上面
【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】
2007180132.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007180132.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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