(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ基板を載置、保持する基板ホルダ及びその下方にウエハ基板加熱用ヒ−タを備えた反応炉からなり、ウエハ基板をホルダと共に回転させながら、反応ガスを上方から流下させ、その表面に薄膜を成長させる回転式気相薄膜成長装置において、
前記基板ホルダは、外周縁と内周縁とで画定される環状のホルダ上面部と、該内周縁から下方に延びる内側壁面部と、該内側壁面から内方へ延設した中央部に貫通開口を有するウエハ載置部と、ホルダ上面の外周縁から下方に延びた外周側面部と、底面部とを有し、
加熱用ヒ−タからウエハ載置部に向けられた熱放射は、前記貫通開口を通して直接ウエハ基板に伝達される共に、ウエハ載置部を透過して載置されたウエハ基板に伝達され、加熱用ヒ−タから底面部に向けられた熱放射は、放射熱誘導手段によって内側壁面部を通して載置されたウエハ基板の側面方向から伝達されるようになされていることを特徴とする回転式気相薄膜成長装置。
【請求項２】
前記ウエハ載置部から外側の底面部に向けられた熱放射の一部は、内側壁面部を通して載置されたウエハ基板の側面方向から伝達され、かつ前記熱放射の他部はウエハ載置部に伝達されるように放射熱誘導手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載された回転式気相薄膜成長装置。
【請求項３】
前記放射熱誘導手段が、ウエハ基板ホルダの上面部、外周側面部、内側壁面部、底面部で画定される域内に設けられた放射熱反射面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたの回転式気相薄膜成長装置。
【請求項４】
前記放射熱反射面は、ウエハ基板ホルダの上面部に対して、４５度の角度を有するように設置されていることを特徴とする請求項３に記載された回転式気相薄膜成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相薄膜成長装置に関し、より詳細には、シリコンウエハ等の基板表面上にＣＶＤ膜成長やエピタキシャル膜成長等により薄膜を形成するための改良された回転式気相薄膜成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回転式気相薄膜成長装置はバッチ式装置に比べ多くの特性を有しているため、半導体産業分野に於いてその使用が広がっている。
例えば、大口径化ウエハの処理に際しては、面内特性の均一な膜の形成に、高速回転枚葉式ウエハエピタキシャル装置が不可欠の存在と成りつつある。
【０００３】
従来の回転気相成長装置は、例えば図８に示すように、その反応炉１１上部に、炉内に原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管１２と、ガスの流れを整える整流板１３が配置され、またその下方に、ウエハ基板Ｗ等が載置される基板ホルダ１４と、基板ホルダ１４の下方に配設され前記ウエハ基板Ｗ等を加熱するウエハ基板加熱用ヒ−タ１５と、該基板ホルダ１４を回転させるための回転軸１６とが配設され、また反応炉１１の下部に、前記回転軸１６を回転駆動させるモータ（図示せず）と、反応炉内の未反応ガスを含む排ガスを排出する排気管１７が配置されている。
更に、基板ホルダ１４について詳述すると、ウエハ基板Ｗの下面側（下方）から加熱する形式の炉に於いて用いられているウエハ基板載置用ホルダ１４は、環状ホルダ上面１４ａと、その内周縁に沿って凹状に設けられ、中央部に貫通開口１４ｃを有する円環状底板１４ｂとを備え、該円環状底板１４ｂによってウエハ基板Ｗの外周縁部を支持するように構成されている。
【０００４】
このような装置を使用して、例えばウエハ基板Ｗ上に薄膜を気相成長させるには、まずガス導入管１２を介して反応ガス、キャリアガス等を供給し、該ガスの運動量や圧分布を均一化し、更に整流板１３を通して均一な流速を有するガス流を流下させる。そして該ガス流を、ホルダ１４内に載置されたウエハ基板Ｗ上に供給すると共に、ウエハ基板Ｗをホルダ１４と共に回転させながら下部に設置された加熱用ヒ−タ１５で加熱し、その表面に薄膜を気相成長させる。なお、未反応ガスを含む排ガスは下方に設けられた排気口１７から排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の基板ホルダ１４を用いて、ウエハ基板Ｗを支持した状態で所定の熱処理を行うと、ウエハ基板Ｗの面内における上記ウエハ基板支持部及びその近傍領域（以下、ウエハ基板外周縁近傍領域と称する）と、それ以外の領域とにおいて、加熱用ヒ−タ１５からの受ける熱放射の態様が異なるため、ウエハ基板面内に温度差が生じ、それによる熱応力が発生する。
即ち、ウエハ基板Ｗの中央部領域等は、基板ホルダ１４の貫通開口１４ｃから直接放射熱を受ける領域であるのに対し、円環状底板１４ｂと接するウエハ基板外周縁近傍領域では、放射熱が円環状底板１４ｂを透過して間接的に伝達される。また、円環状底板１４ｂからの伝達熱の一部は基板ホルダ１４の外周縁部等から放散されて失われるためより低温となる。その結果、ウエハ基板外周縁近傍領域では、加熱用ヒ−タ１５から十分な熱の伝達を受けることができない。
そのため、ウエハ基板Ｗの中央部領域等と外周縁近傍領域との間に温度差が生じ、これに起因してウエハ基板に熱応力によるスリップが発生する。
【０００６】
特に、ウエハ基板Ｗを支持する円環状底板１４ｂの幅は非常に小さいため、該部分近傍領域のウエハ基板面内温度勾配は非常に大きいものとなる。
このような熱応力歪み発生の不都合を回避するため、ホルダ１４を透明材料で形成してこの温度差を低減することが考えられる。しかし、材質を単に透明材料に変更しただけでは、基板ホルダ１４の表面における光反射、基板ホルダ１４自体の熱吸収は避けられず、ウエハ基板Ｗの中央部領域等と外周縁近傍領域との間に、依然として温度差が生じ、ウエハ基板のスリップの発生を抑制することができない。
【０００７】
このような従来のウエハ基板ホルダを用いた場合、上述したように熱応力の発生により、ウエハ基板結晶内に格子面スリップを生じる虞があるだけでなく、ウエハ基板面内の温度の不均一分布により、成長する薄膜の厚さが不均一となり、その結果、薄膜の電気特性等の諸物性も不均一となるという技術的課題があった。
そのため、ウエハ基板の支持部での温度差が可及的に低減できる回転式気相薄膜成長装置の出現が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記した従来装置の技術的課題を解決するためになされたものであり、ウエハ基板の中央部領域等と外周縁近傍領域との間の温度差を極力小さなものとすることにより、格子面スリップ等の発現がなく、得られた成長薄膜の面内厚さ及び物性が均質な良質のウエハ基板基板積層薄膜を得ることのできる回転式気相薄膜成長装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明は、ウエハ基板を載置、保持する基板ホルダ及びその下方にウエハ基板加熱用ヒ−タを備えた反応炉からなり、ウエハ基板をホルダと共に回転させながら、反応ガスを上方から流下させ、その表面に薄膜を成長させる回転式気相薄膜成長装置において、前記基板ホルダは、外周縁と内周縁とで画定される環状のホルダ上面部と、該内周縁から下方に延びる内側壁面部と、該内側壁面から内方へ延設した中央部に貫通開口を有するウエハ載置部と、ホルダ上面の外周縁から下方に延びた外周側面部と、底面部とを有し、加熱用ヒ−タからウエハ載置部に向けられた熱放射は、前記貫通開口を通して直接ウエハ基板に伝達される共に、ウエハ載置部を透過して載置されたウエハ基板に伝達され、加熱用ヒ−タから底面部に向けられた熱放射は、放射熱誘導手段によって内側壁面部を通して載置されたウエハ基板の側面方向から伝達されるようになされていることを基本的構成としている。
【００１０】
ここで、前記ウエハ載置部から外側の底面部に向けられた熱放射の一部は、内側壁面部を通して載置されたウエハ基板の側面方向から伝達され、かつ前記熱放射の他部はウエハ載置部に伝達されるように放射熱誘導手段が設けられていることが望ましく、前記放射熱誘導手段が、ウエハ基板ホルダの上面部、外周側面部、内側壁面部、底面部で画定される域内に設けられた放射熱反射面であることが望ましい。また、前記放射熱反射面は、ウエハ基板ホルダの上面部に対して、４５度の角度を有するように設置されていることが望ましい。
【００１１】
本発明は、基板ホルダに載置されたウエハ基板が、加熱時に放射熱が直接当たらないウエハ基板面内の特定領域（より具体的には、基板ホルダのウエハ載置部と接するウエハ基板の領域部分）と、加熱時に放射熱が直接当たるそれ以外の領域（ウエハ載置部の貫通開口に対応したウエハ基板の領域部分）とで、受ける熱放射の態様及び熱量が異なり、ウエハ基板面内に温度差による熱応力が発生する。
このため、得られる薄膜に結晶格子面スリップが発生したり、膜厚や物性特性等の面内不均一を生じ易いという従来装置における不都合を解決するため、ホルダの底面部が受けた放射熱を、内側壁面を経由してウエハ基板の側面から入射されるように放射熱を誘導する手段、例えば、ホルダ内に反射面を設置する等の手段を設けることにより、上記ウエハ基板の特定領域（放射熱が直接当たらないウエハ基板面内の領域部分）の照射熱量の不足を補い、他の領域との温度差により生ずる熱応力の発生を抑制するものである。
【００１２】
まず、このウエハ基板基板の面内温度不均一分布とそれにより生ずる熱応力について以下に説明する。
ウエハ基板面内の温度分布による熱応力は、径方向、周方向の応力成分に分けて考えると、一般的に次式により表される。
【００１３】
【数１】
0004003899.tif 000002
【００１４】
【数２】
0004003899.tif 000003
【００１５】
ここで、σr 、σθ  はそれぞれ径方向、周方向の応力成分、Ｔはウエハ基板面内の温度分布関数、ｒはウエハ基板の動径座標、Ｒはウエハ基板の半径、α、Ｅはそれぞれウエハ基板材料の線熱膨張係数、弾性率である。
【００１６】
一方、ウエハ基板面内の温度分布は、単純化したモデルとしては、ウエハ基板載置部（支持部）近傍を除けば、中心から周辺へ連続する２次曲線（例えば図２（ａ）に破線で示す）で近似できる。
即ち、温度分布関数を次式（３）で近似すると、
Ｔ＝Ｔ0 ＋ΔＴ（ｒ／Ｒ）2                   （３）
で表すことができる。
したがって、上記（１）（２）式に上記（３）を代入することにより、熱応力を求めると、
その熱応力は
σr ＝αＥΔＴ［１−（ｒ／Ｒ）2 ］／４          （４）
σθ＝αＥΔＴ［１−３（ｒ／Ｒ）2 ］／４        （５）
で表される。
ここで、Ｔ0 はウエハ基板中心の温度、ΔＴはウエハ基板面内温度差（厳密には、ウエハ基板中心と周辺との温度差）である。
【００１７】
そして、式（４）（５）から得られた応力成分σr 、σθから相当熱応力σe を求め、応力成分σr 、σθ及び相当応力σe のウエハ基板面内の分布を図１に線図として示した。
相当熱応力σe とは、多軸応力状態における代表的な応力を意味し、σr とσθを用いて表せば、σe ＝（σｒ2 −σｒ×σθ＋σθ2 ）1/2
で表される。
なお、図中、相当熱応力はσe1として表し、縦軸はσe1／（αＥΔＴ／４）、横軸は、ウエハ中心からの距離ｒ／Ｒで表している。
【００１８】
上記の様な計算式による誘導を、現実のウエハ基板ホルダの状態に合わせて、図２（ａ）に示すように、ウエハ基板の中心から半径ｂまでの間では温度Ｔ0 が一定で、半径ｂの外側の領域の温度分布ΔＴが半径方向の距離に対して２次曲線で表されるモデルの場合について計算すると、ウエハ基板面内の相当熱応力中、最大である最大相当熱応力σemaxは式（４）（５）で計算した上記の場合の値より大きくなる。その解析結果を図２（ｂ）に示す。
【００１９】
この図２の場合は、ｂ＝０．９、即ち、ウエハ基板の外周縁から中心までの距離を１として、その外周縁近傍の、全長１に対し１／１０に相当する範囲（領域）がホルダのウエハ載置部と接するものと仮定している。なお、図中の点線は、前述の単純化したモデル（接触部は無限に小さく、一様に加熱した場合）の温度分布（図２（ａ））および相当熱応力（図２（ｂ））を示している。
ここで、図１に示された最大相当熱応力σe1max と、図２に示された最大相当熱応力σe2max との計算結果を対比すると、ウエハ基板の面内温度差が同じでも、後者の場合は、前者に対し約１．９倍の熱応力となり、ホルダ上のウエハ基板は実際には加熱によって、予想以上の大きな熱応力を受けることが判る。
【００２０】
また、図３に、ウエハ載置部の支持部領域の範囲（パラメータｂ／Ｒ）を変えた場合の最大相当熱応力σemaxの変化を示した。なお、この図において、縦軸はσemax／（αＥΔＴ／４）を、また横軸は、ｂ／Ｒを示している。
この図から、ウエハ載置部の支持部領域の範囲によっては、相当熱応力が式（３）の２次曲線温度分布の場合（図１の場合）に比べて２倍以上になる場合があることが判る。
【００２１】
以上の結果からも、気相成長時に、加熱によるウエハ基板の面内温度分布を出来る限り均一化することが極めて重要であることが判る。
以上に述べた通り、本発明は、ホルダの周辺部の受けた放射熱及び吸収熱の損失を、ホルダの外周部が受けた放射熱を反射等によりウエハ基板の周辺部に誘導供給して補償することにより、ウエハ基板周辺部（支持部）での温度低下を回避した点に特徴を有するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図４乃至図７に基づいて説明する。
ここで、図４は、本発明の回転式気相薄膜成長装置に設けられるウエハ基板ホルダの一実施例の斜視図であり、図５は図４に示されたウエハ基板ホルダの一部断面図である。また、図６は加熱ヒ−タからの熱流束の伝達パスの様子を示す模式図であり、図７は、本発明の基板ホルダ−の他の一例を示す断面図である。
なお、基板ホルダ以外の部分は、図８に示された部材と同一の構成であるため、その説明は省略する。  図において、ホルダ１は、内側壁面部２を境としてその外周側部分に位置する円環状ホルダ上面部３と、ホルダの底面部４と、ホルダ外周側面部５、前記内側壁面部から内方へ延設し、その中央部に貫通開口１ａを有するウエハ載置部６とを有している。なお、ホルダ１の外周側面部５は、別の保持部材（図示せず）により保持される。
【００２３】
基板ホルダ１のウエハ基板載置部６内には、図５に示すようにホルダ上面部３に対し約４５度の傾斜角度を有する反射面７が、放射熱誘導手段として設けられている。
この反射面７により、基板ホルダ１の底面部４を透過した放射熱は反射され、反射熱の大部分を、内側壁面部２を経由してウエハ基板Ｗの側面から、ウエハ基板周辺部に照射受熱させ、またその反射熱の一部はウエハ基板載置部６に伝達され、ウエハ基板周辺部にその下面側から受熱させる。
これにより、ウエハ基板載置部６での表面熱反射、及びそれ自身の熱吸収によるウエハ基板周辺部の熱流束損失が補償される。なお、加熱用ヒータ１５からの熱流束の伝達パスの様子を図６に模式的に示す。
【００２４】
本発明の基板ホルダ１を構成する材質としては、石英ガラス、光透過性アルミナ等が用いられ、これらの内でも透明性石英ガラスが好適に用いられる。このように透明性石英ガラスが用いられるのは、赤外線の透過率が高いのためである。
好適な透明石英ガラスの具体例として、例えば、東芝セラミックス（株）製の市販品（品番名Ｔ２６３０）石英ガラスを挙げることができる。
【００２５】
本発明にかかる基板ホルダ１は、上記透明石英ガラス等の材料単一から構成されたものであっても良いが、基板ホルダ１には反射面等の放射熱誘導手段７を形成する必要があるため、特に、該手段が反射面である場合には、二つの部材を結合させた構成のものを用い、その結合面に反射膜をコーティングする等の方法で反射面を形成するのがより好ましい。
コーティングされる反射膜としては、金を用いることができ、蒸着等の公知の手段によって形成することができる。
また、放射熱誘導手段７の上方、上面部３及び外周側面部５によって画定される部分は、不透明性材料により形成されることが好ましい。不透明性材料を用いることにより、同じく赤外線の反射効果を得ることができる。
この不透明性材料としては、例えば不透明性石英を用いて良く、またこの種のホルダ１の形成用材料として一般に用いられている公知の他の材料を用いても良い。
【００２６】
本発明における放射熱誘導手段７としては、既に上記した反射面形成による放射熱反射手段が最も簡易且つ有効な手段であるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、図７に模式的に示したように、ガラス光ファイバー束９等を、基板ホルダ１の底面部４から内側壁面部２及びウエハ載置部６に向けて配列設置して放射熱線を誘導しても良く、また屈折等、その他の赤外線の進路変更手段を利用して放射熱線を誘導しても良い。
【００２７】
反射面形成による放射熱反射手段７を用いる場合、その反射面は、例えば図５に示すようにウエハ基板ホルダ１の上面部３に対し４５度の角度（通常底面に対しても４５度の角度となる）を有するように円錐台型（テーパー型）の側面形状に形成、設置されるのが好ましい。
また、下方の加熱用ヒ−タ５から放射熱を受けるホルダ底面部４の表面及び内側壁面部２の表面は、放射熱線の光透過性を良好にするために、鏡面研磨加工を施すことが好ましい。
【００２８】
本発明のホルダにおいて、内側壁面部２の半径は、ウエハ基板の半径より、半径として０．５乃至２ｍｍ程度大きく設定され、中央部の貫通開口１ａの半径は、半径として、ウエハ基板の半径の０．７乃至０．９５倍の大きさに設定されることが好ましい。
ホルダ外周縁の大きさは装置の全体構造、ホルダの強度等を勘案して適宜設定される。
本発明の回転式気相薄膜成長装置の主要部を構成する反応炉には、上記ウエハホルダ構成部分を除き、それ自体公知の、いわゆる縦型反応炉形式のものを用いることができる。例えば、その全体構成が図８に示されているような反応炉が好適に使用される。
【００２９】
本発明のこの回転式気相薄膜成長装置を用いてウエハ基板Ｗ上に薄膜を気相成長により形成させるには、炉内上部供給口１２から整流板１３を経由して反応ガスをキャリアガスと共に流下させ、整流板１３の下方に位置する基板ホルダ１４のウエハ載置部６載置されたウエハ基板Ｗを、加熱下に基板ホルダ１と共に回転させながら、その表面に薄膜を気相成長させることにより、薄膜を形成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の回転式気相薄膜成長装置によれば、従来装置の問題点であった気相成長反応時に発生するウエハ基板基板の面内温度差、特に、ウエハ基板の中央部領域と、外周縁近傍領域との温度差が低減され、それに起因して発生する熱応力を可及的に低減でき、その結果として、格子スリップ等がなく、成長薄膜の面内厚さ、物性等が均質な良質のウエハ基板基板積層薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、二次曲線温度分布モデルにおける熱応力（応力成分及び相当熱応力）のウエハ面内分布を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、ｂ／Ｒ＝０．９モデルにおける温度分布変を示す図であり、（ｂ）は熱相当応力の変化を示す図である。
【図３】図３は、最大相当熱応力の変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明にかかる基板ホルダの形状を示す斜視図である。
【図５】図５は、図４に示された基板ホルダの要部断面を示す図である。
【図６】図６は、加熱ヒ−タからの熱流束の伝達パスの様子を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の基板ホルダの他の一例を示す断面図である。
【図８】図８は、回転式気相成長装置の一例を示す断面概略図である。
【符号の説明】
１      基板ホルダ
１ａ    貫通開口
２      内側壁面部
３      上面部
４      底面部
５      加熱用ヒ−タ
６      ウエハ基板載置部
７      放射熱誘導手段
９      光ファイバ−束
１１      反応炉
１２      ガス導入管
１３      整流板
１４      基板ホルダ−
１５      加熱用ヒ−タ
１６      回転軸
１７      排気管
Ｗ      ウエハ基板
【図１】
0004003899.tif 000004
【図２】
0004003899.tif 000005
【図３】
0004003899.tif 000006
【図４】
0004003899.tif 000007
【図５】
0004003899.tif 000008
【図６】
0004003899.tif 000009
【図７】
0004003899.tif 000010
【図８】
0004003899.tif 000011