(57)【要約】【課題】  ヒータ部と、底部に固定された電極部とを接続した加熱装置においては、加熱されると、ヒータ部に熱応力が加わり、ヒータ部、電極部は熱歪みにより劣化、損傷して寿命が短縮するという課題があった。【解決手段】  底部３に固定された電極部２に対してヒータ部１のヒータ電極端子部１ａをヒータ電極端子台座４’を介して固定した加熱装置において、加熱時のヒータ部１の歪みを緩和するために、角度規制されたヒンジ５ａの構造を有する歪み緩和固定部５をヒータ部１のヒータ電極端子部１ａと底部３との間に設ける。ヒータ部１の電極部２への取付時に、歪み緩和固定部５はヒータ部１のヒータ電極端子部１ａにヒータ部１の外周側へ歪みを与える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と、
該底部に固定された電極部と、
発熱部及び該発熱部に接続されているヒータ電極端子部を有し、前記電極部と前記ヒータ電極端子部とが接続されているヒータ部と、
前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記底部との間に設けられ、前記ヒータ部の前記電極部への取付時に前記ヒータ部のヒータ電極端子部に前記ヒータ部の外側へ歪みを与えるための絶縁性の歪み緩和固定部と
を具備する加熱装置。
【請求項２】
前記歪み緩和固定部は角度規制されたヒンジ構造を有する請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
さらに、前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記電極部との間にヒータ電極端子台座を具備し、
前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記ヒータ電極端子台座との取付位置は調整可能とされている請求項１に記載の加熱装置。
【請求項４】
前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記電極部とは直接接続され、
前記歪み緩和固定部は前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記底部との間に設けられ、
前記ヒータ部のヒータ電極端子部と前記電極部との取付位置は調整可能にされている請求項１に記載の加熱装置。
【請求項５】
さらに、前記ヒータ部のヒータ電極端子部及び前記歪み緩和固定部に固定された放熱フィンを具備する請求項１に記載の加熱装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の加熱装置を具備し、該加熱装置の底部を反応容器の底部とする半導体気相成長装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱装置及びこれを用いた半導体気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置等の半導体製造装置に用いられる加熱装置においては高温による変形によって短寿命が問題となっている。
【０００３】
図９は従来の加熱装置を示す図である。
【０００４】
図９において、１はたとえばカーボンよりなるヒータ部、２は底部３に固定されたたとえば銅よりなる２つの電極部、４はヒータ部１のヒータ電極端子部１ａを電極部２に電気的に接続するためのたとえばステンレスよりなる２つのヒータ電極端子台座である。
【０００５】
ヒータ部１にはスリット状の切り込みが形成され、ヒータ線幅（断面積）は均一となっている。また、その上面図を図１０に示すごとく、ヒータ部１は筒状をなしている。この筒状のヒータ部１の内部領域にウェハ等を載せるサセプタを設けてウェハ等を加熱することができる。
【０００６】
尚、ヒータ部１は、図１１に示すごとく、線状のヒータ部を弧状として組合せて全体として円盤状とすることもできる。図１１において、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上面図である。
【０００７】
ヒータ部１は、カーボン（C）の外に、シリコンカーバイド（SiC）、SiCコートカーボン、窒化アルミニウム（AlN）等よりなる。
【０００８】
ヒータ電極端子台座４は、図１２に示すごとく、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａの貫通穴１ａ’に対応するねじ穴４ａ、電極部２を挿入するための穴４ｂ、及び挿入された電極部２を固定するためのねじ（図示せず）を挿入するねじ穴４ｃを有する。すなわち、ヒータ電極端子部１ａの貫通穴１ａ’及びヒータ電極端子台座４のねじ穴４ａにねじ（図示せず）を嵌め込み、電極部２をヒータ電極端子台座４の穴４ｂに挿入後にそのねじ穴４ｃにねじ（図示せず）を嵌め込めることにより、ヒータ部１を電極部２に電気的に接続させることができる。
【０００９】
尚、図１３に示すごとく、ヒータ電極端子台座４を介在することなく、電極部２にねじ溝２ａを設けて電極部２をヒータ部１のヒータ電極端子部１ａの貫通穴１ａ’に通じてナット（図示せず）で固定する等で直接接続させることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２０６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１４は図１１に示す従来の加熱装置の課題を説明するための図であって、図９の加熱装置の加熱時の状態を示す。
【００１２】
図１４に示すように、加熱されると、ヒータ部１に熱応力ＴＳが加わり、従って、ヒータ部１、電極部２は、矢印Ｌ１、Ｌ２に示すごとく、電極部２とリアクタ底部３との結合点を支点Ｓとして回転変位する。この結果、ヒータ部１、電極部２は熱歪みにより劣化、損傷して寿命が短縮するという課題があった。たとえば、ヒータ部１がカーボンよりなる場合には、寿命は300時間、ヒータ部１がSiCコートカーボンよりなる場合には、寿命は600時間と短かった。尚、SiCコートカーボンはヒータ部１をカーボンで形成し、ヒータ電極端子部１ａを除くヒータ部１の表面を耐熱性のSiCで被覆したものである。
【００１３】
特に、ヒータ電極端子部１ａが800℃以上で酸化性雰囲気あるいは腐食性ガス（たとえば、NH3ガス）雰囲気等に晒されると、ヒータ電極端子部１ａはエッチングされてヒータ電極端子台座４との接触が不安定となり、ヒータ電極端子部１ａとヒータ電極端子台座４との間でスパークが発生してヒータ部１の破損を招く。
【００１４】
尚、ヒータ電極端子部１ａに屈曲部を設け、加熱時の熱応力による変形をこの屈曲部で吸収するものが知られている（参照：特許文献１）。しかしながら、この場合、ヒータ部１の他の箇所が変形するので、ヒータ部１の上下動を招き、また、一般に、電極部２が柔らかいので、屈曲部で吸収しようとしたヒータ部１の変形分は電極部２の変形となり、従って、ヒータ部１の変形は屈曲部で吸収されず、この結果、ヒータ部１の変形部の劣化が早まって寿命が低下する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る加熱装置は、底部と、底部に固定された電極部と、発熱部及び発熱部に接続されているヒータ電極端子部を有し、電極部とヒータ電極端子部とが接続されているヒータ部と、ヒータ部のヒータ電極端子部と底部との間に設けられ、ヒータ部の電極部への取付時にヒータ部のヒータ電極端子部にヒータ部の外側へ歪みを与えるための絶縁性の歪み緩和固定部とを具備するものである。これにより、加熱時には、ヒータ部全体の熱歪みは抑制される。
【００１６】
また、本発明に係る半導体気相成長装置は、上述の加熱装置を具備し、この加熱装置の底部を反応容器の底部とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加熱時には、ヒータ部全体の熱歪みが抑制されるので、ヒータ部特にそのヒータ電極端子部の劣化、損傷を抑制でき、この結果、長寿命化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る加熱装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１のヒータ電極端子台座の近傍を示す拡大斜視図である。
【図３】図１の加熱装置の加熱時の状態を示す断面図である。
【図４】図１に示す加熱装置を用いたMOCVD装置を示す断面図である。
【図５】図４のMOCVD装置における加熱装置のヒータ部の寿命を説明するためのグラフである。
【図６】図４のMOCVD装置における加熱装置のヒータ電極端子部の温度特性を説明するためのグラフである。
【図７】本発明に係る加熱装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７の放熱フィン近傍の拡大斜視図である。
【図９】従来の加熱装置を示す断面図である。
【図１０】図９のヒータ部の上面図である。
【図１１】図９のヒータ部の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上面図である。
【図１２】図９のヒータ電極端子台座部近傍を示す拡大斜視図である。
【図１３】図１２の変更例を示す斜視図である。
【図１４】図９の加熱装置の加熱時の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明に係る加熱装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【００２０】
図１においては、図９の加熱装置に対して、加熱時のヒータ部１の歪みを緩和するために、歪み緩和固定部５、スペーサ６及びスペーサ６のストッパ７を付加してある。また、図９のヒータ電極端子台座４の代りにヒータ電極端子台座４’を設けてある。尚、図１の加熱装置は歪み緩和固定部５の非加熱時つまり取付時の状態を示す。
【００２１】
歪み緩和固定部５は角度規制たとえば90°規制されたヒンジ５ａによって可動でき、高絶縁性かつ高熱伝導性の材料、たとえばAl2O3、AlNよりなる。歪み緩和固定部５は取付時つまり非加熱時にはヒータ部１のヒータ電極端子部１ａを外周方向に広げるように歪みを与え、この歪みは加熱時の熱応力によるヒータ部１の歪みを緩和するように作用する。
【００２２】
図２は図１のヒータ電極端子台座４’を示す拡大斜視図である。図２においては、図９のヒータ電極端子台座４のねじ穴４ａの代りに長穴４ａ’を設けてある。この長穴４ａ’はヒータ部１のヒータ電極端子部１ａの穴１ａ”に対応し、ヒータ電極端子部１ａの穴１ａ”及びヒータ電極端子台座４の長穴４ａ’にボルト及びナット（図示せず）によってヒータ部１を電極部２つまりヒータ電極端子台座４’に固定する際に、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａとヒータ電極端子台座４’との取付け位置は調整可能とし、これにより、ヒータ部１つまり歪み緩和固定部５の取付けを仮固定、本固定可能にする。
【００２３】
次に、歪み緩和固定部５の取付けについて説明する。尚、予め、ヒータ電極端子台座４’は電極部２に固定され、また、電極部２は底部３に固定されているものとする。
【００２４】
始めに、歪み緩和固定部５の上部をヒータ部１のヒータ電極端子部１ａにねじ（図示せず）によって固定する（図２の矢印Ｘ１）。
【００２５】
次に、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａをヒータ電極端子台座４’にボルト及びナット（図示せず）によって仮固定する（図２の矢印Ｘ２）。
【００２６】
次に、歪み緩和固定部５を底部３の浅い溝であるガイド３ａに収容する。ここで、スペーサ６を歪み緩和固定部５とストッパ７との間に挿入してヒータ部１のヒータ電極端子部１ａを外周側へ押し広げる。この場合、ヒータ電極端子台座４’に仮固定されているヒータ部１のヒータ電極端子部１ａはヒータ電極端子台座４’に対して移動可能であるので、ヒータ電極端子部１ａは、図１の（Ａ）に図示のごとく、僅かに歪むようになる。しかし、この程度の歪みは非加熱状態のヒータ部１には影響しない。尚、このスペーサ６の厚さはヒータ部１の材質、電極部２の材質等によって変化するが、概ね5mm程度である。
【００２７】
最後に、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａをヒータ電極端子台座４’に本固定し、また、歪み緩和固定部５を底部３に固定した後に、スペーサ６を取除く。
【００２８】
図３は図１の加熱装置の加熱時の状態を示す図である。
【００２９】
加熱装置が加熱されると、図１６の場合と同様に、ヒータ部１に熱応力ＴＳが加わる。従って、ヒータ部１の上部は矢印Ｌ１’に示すごとく、外周方向へ変位する。他方、ヒータ部１の下部のヒータ電極端子部１ａは、既に外周側に歪んでいる分、矢印Ｌ２’に示すごとく、僅かにしか変位しない。この結果、ヒータ電極端子部１ａを含むヒータ部１は回転せずに全体として外周側へ変位する。つまり、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａは全体として垂直となる。従って、加熱時のヒータ部１全体の歪みは緩和される。尚、ヒータ電極端子部１ａつまりヒータ電極端子台座４’も僅かに変位して加熱時に軟らかい電極部２は、矢印Ｌ２’に示すごとく、僅かに回転変位する。
【００３０】
このように、非加熱状態のヒータ部１のヒータ電極端子部１ａにヒータ部１の材質及び電極部２の材質を考慮した歪みを予め与えておくことにより、加熱状態のヒータ部１の全体及び電極部２には熱歪みが少なくなり、この結果、劣化、損傷を抑制でき、従って、加熱装置の長寿命を図ることができる。
【００３１】
図４は図１に示す本発明の第１の実施の形態の加熱装置を用いた有機金属気相成長（MOCVD）装置を示す。
【００３２】
図４において、図１の加熱装置は反応容器４００に収容され、加熱装置の底部は反応容器４００の底部である。
【００３３】
電極部２間にはヒータ電源４０１が接続される。
【００３４】
反応容器４００の底部には、駆動モータ４０２によって回転する回転軸４０３を設け、この回転軸４０３を介してヒータ部１上にサセプタ４０４を設ける。サセプタ４０４にはたとえばＣ面サファイア基板であるウェハ４０５を載置する。
【００３５】
反応容器４００の上流側には、原料ガスが供給されたガス流量調整ユニット４０６、キャリアガスたとえば不活性ガスが供給されたガス流量調整ユニット４０７、反応性ガスたとえばNH3ガスが供給されたガス流量調整ユニット４０８が設けられ、ガス流量調整ユニット４０６、４０７、４０８は反応容器４００の３つの部屋に分かれたフローチャネル４０９に接続されている。これにより、原料ガス、キャリアガス、反応性ガスがフローチャネル４０９によってサセプタ４０４上のウェハ４０５の直近まで供給される。尚、フローチャネル４０９に代りに反応容器４００の上方にシャワーヘッドノズルを設けてもよい。
【００３６】
反応容器４００の下流側には、圧力制御弁４１０及び排気ポンプ４１１が設けられ、圧力制御弁４１０には圧力センサ４１２が接続されている。これにより、反応容器４００内の圧力は圧力センサ４１２を介して圧力制御弁４１０にフィードバック制御されて反応容器４００内の圧力は一定値となる。
【００３７】
ヒータ部１、ウェハ４０５の各表面温度を計測するための放射温度センサ４１３、４１４が設けられ、また、ヒータ電極端子部１ａの温度を計測するための熱電対４１５が設けられている。
【００３８】
制御回路４１６は、圧力センサ４１２、放射温度センサ４１３、４１４、熱電対４１５等の出力信号を受け、ヒータ電源４０１、駆動モータ４０２、ガス流量調整ユニット４０６、４０７、４０８、圧力制御弁４１０、排気ポンプ４１１等を制御するものであり、たとえば、CPU、ROM、RAM、I/Oよりなるマイクロコンピュータである。
【００３９】
次に、図４のMOCVD装置の動作例を説明する。
【００４０】
始めに、制御回路４１６は、排気ポンプ４１１を動作させて反応容器４００を一度真空排気する。
【００４１】
次に、制御回路４１６は、ガス流量調整ユニット４０７を制御して一定値6.0SLMの不活性ガスをフローチャネル４０９を介して反応容器４００に供給する。このとき、制御回路４１６は圧力センサ４１２の出力信号を用いて圧力制御弁４１０をフィードバック制御して反応容器４００内の圧力を一定値10kPaとする。また、制御回路４１６は駆動モータ４０２を制御して回転軸４０３つまりサセプタ４０４の回転速度を10rpmとしてたとえば窒化アルミニウム（AlN）の成長をウェハ４０５内で均一化させる。
【００４２】
次に、制御回路４１６は放射温度センサ４１３の出力信号を用いてヒータ電源４０１を制御してウェハ４０５の表面温度を約1000℃で10分程度保持する。この処理はサーマルクリーニング処理という。
【００４３】
その後、制御回路４１６は放射温度センサ４１３の出力信号を用いてヒータ電源４０１を制御してウェハ４０５の表面温度を約1200℃まで昇温させる。
【００４４】
次に、制御回路４１６は、ガス流量調整ユニット４０８を制御して5.0SLMの反応性ガスであるNH3ガスをフローチャネル４０９を介して反応容器４００に供給する。同時に、制御回路４１６は、ガス流量調整ユニット４０７を制御して不活性ガスの流量を1.0SLMに低下させてガス総流量を一定値6.0SLMに保持する。
【００４５】
次に、制御回路４１６は、原料ガスとして有機金属材料たとえばトリメチルアルミニウム（TMA）を不活性ガスにてバブリングし、ガス流量調整ユニット４０６を制御して1.0sccmの流量でフローチャネル４０９を介して反応容器４００に供給する。この状態を3時間維持すると、ウェハ４０５上にAlN層が成長する。
【００４６】
その後、制御回路４１６はガス流量調整ユニット４０６、４０８を制御して原料ガス及びNH3ガスの供給を停止し、同時に、ガス流量調整ユニット４０７を制御して不活性ガスの流量を6.0SLMに復帰させる。
【００４７】
最後、制御回路４１６は、ヒータ電源４０１をオフにしてヒータ部１を常温まで冷却する。
【００４８】
図５は図４のMOCVD装置に対して上述の動作を実行させた場合の加熱装置のヒータ部の寿命の実験結果を説明するためのグラフである。図５においては、図１１に示す従来の加熱装置を図４のMOCVD装置に用いた場合の加熱装置のヒータ部１の寿命を１とすれば、図１に示す本発明に係る加熱装置を図４のMOCVD装置に用いた場合の加熱装置のヒータ部１の寿命は約1.78倍と長寿命化を達成できた。
【００４９】
上述の本発明に係る加熱装置のヒータ部１の長寿命化は、主に、加熱時のヒータ部１全体の歪み緩和作用によるものであるが、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａの加熱時の過剰温度上昇の抑制作用にも大きく依存していると考えられる。これについて図６を用いて説明する。
【００５０】
図６は図４の温度センサ４１３、４１４及び熱電対４１５を用いてヒータ部１の温度T1、ウェハ４０５の温度T2及びヒータ電極端子部１ａの温度T3を測定した結果を示す。図６に示すように、ヒータ部１の温度T1、ウェハ４０５の温度T2が1291℃、1200℃と昇温しても、ヒータ電極端子部１ａの温度T3は800℃未満の751℃と低い。これに対し、歪み緩和固定部５を有しない図９に示す従来の加熱装置を用いた場合のヒータ電極端子部１ａの温度T3’は1000℃以上の1060℃と高い。これは歪み緩和固定部５の高熱伝導性によるものであり、この結果、ヒータ電極端子部１ａは歪み緩和固定部５の熱歪み緩和作用及び過剰温度上昇の抑制による反応性ガス（たとえばNH3ガス）によるエッチング抑制作用によって劣化、損傷が抑制される。尚、一般的に、反応容器４００が水冷等で冷却されているので、反応容器４００の底部に接続された歪み緩和固定部５は反応容器４００によるヒータ電極端子部１ａの冷却作用を増進するものと考えられる。
【００５１】
図７は本発明に係る加熱装置の第２の実施の形態を示す断面図、図８は図７の放熱フィン近傍の拡大斜視図である。
【００５２】
図７、図８においては、図１の加熱装置のヒータ電極端子部１ａ及び歪み緩和固定部５に対して放熱フィン８をねじ等によって固定してある。これにより、ヒータ電極端子部１ａの冷却がさらに増進されるので、ヒータ電極端子部１ａの劣化、損傷をさらに抑制できる。
【００５３】
尚、本発明は図１１に示す弧状として組合せて全体として円盤状とするヒータ部を有する加熱装置に適用することができる。また、本発明は図１３に示すヒータ電極端子台座なしにヒータ部１を電極部２に直接接続した加熱装置にも適用することができる。この場合には、ヒータ部１のヒータ電極端子部１ａを電極部２に仮固定、本固定できる構造をヒータ電極端子部１ａもしくは電極部２に設ける。つまり、ヒータ電極端子部１ａと電極部２との取付位置は調整可能となっている。
【００５４】
また、上述の実施の形態では、ヒータ電極端子部１ａとヒータ電極端子台座４’（もしくは電極部２）との取付位置を調整可能にして仮固定、本固定するようにしているが、取付位置を調整不可能にして始めから本固定してもよい。この場合には、電極部２の非加熱時（取付時）の歪みは増大するが、その歪みは電極部２に影響しない程度である。
【符号の説明】
【００５５】
１：ヒータ部
１ａ：ヒータ電極端子部
２：電極部
３：底部
４、４’：ヒータ電極端子台座
５：歪み緩和固定部
５ａ：ヒンジ
６：スペーサ
７：ストッパ
８：放熱フィン
４００：反応容器
４０１：ヒータ電源
４０２：駆動モータ
４０３：回転軸
４０４：サセプタ
４０５：ウェハ
４０６：ガス流量調整ユニット
４０７：ガス流量調整ユニット
４０８：ガス流量調整ユニット
４０９：フローチャネル
４１０：圧力制御弁
４１１：排気ポンプ
４１２：圧力センサ
４１３：放射温度センサ
４１４：放射温度センサ
４１５：熱電対
４１６：制御回路
【図１】
2013120703.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2013120703.tif 000013
【図１２】
2013120703.tif 000014
【図１３】
2013120703.tif 000015
【図１４】
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