(57)【要約】  本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備える。回転軸の内周面には、回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されている。
2020105211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、
前記回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備え、
前記回転軸の内周面には、前記回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されている、炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
【請求項２】
炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、
前記回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備え、
前記回転軸は、第１円筒部と、第２円筒部とを有しており、
前記第１円筒部の下端部は、前記第２円筒部の上端部に点接触又は線接触で嵌合されている、炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
【請求項３】
前記回転軸の内周面には、前記回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されている、請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
【請求項４】
前記回転軸は、窒化珪素、アルミナ、サファイア又はジルコニアで形成されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、炭化珪素（ＳｉＣ）エピタキシャル基板の製造装置に関する。本出願は、２０１８年１１月２０日に出願した日本特許出願である特願２０１８−２１７２２４号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１（特開２０１８−１０８９１６号公報）には、ホットウォール式のＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）装置が記載されている。特許文献１に記載のＣＶＤ装置は、石英管と、発熱体と、回転サセプタと、誘導加熱コイルとを有している。【０００３】
発熱体及び回転サセプタは、石英管の内部に配置されている。誘導加熱コイルは、石英管の外周面に沿って巻き回されている。誘導加熱コイルは、通電されることにより、発熱体を誘導加熱する。発熱体が発熱することにより、回転サセプタ上に載置された炭化珪素基板も加熱される。回転サセプタは、駆動機構に接続された回転軸が取り付けられている。【０００４】
ホットウォール式ＣＶＤ装置のチャンバ内には、原料ガス及びキャリアガスが供給される。これにより、炭化珪素基板上にエピタキシャル層が結晶成長する。この際、回転サセプタは、回転軸を回転駆動させることにより自転するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１０８９１６号公報
【発明の概要】
【０００６】
本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備える。回転軸の内周面には、回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されている。
【０００７】
本開示の他の態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備える。回転軸は、第１円筒部と第２円筒部とを有している。第１円筒部の下端部は、第２円筒部の上端部に点接触又は線接触で嵌合されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、製造装置１００の断面図である。
【図２】図２は、製造装置１００における回転軸４の拡大断面図である。
【図３】図３は、炭化珪素基板５０上にエピタキシャル層を形成する際の工程図である。
【図４】図４は、第１比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置における回転軸４ａの拡大断面図である。
【図５】図５は、第２比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置における回転軸４ｂの拡大断面図である。
【図６】図６は、製造装置２００の断面図である。
【図７】図７は、製造装置２００における回転軸４の拡大断面図である。
【図８】図８は、第１円筒部４３と第２円筒部４４との嵌合部における部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[本開示が解決しようとする課題]
特許文献１に記載のＣＶＤ装置において、回転サセプタが保持している熱は、回転軸を介してチャンバの外部へと排出される。そのため、回転サセプタ上において温度の不均一が生じてしまう。
【００１０】
本開示の目的は、回転サセプタ上の温度の不均一を抑制することができる炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を提供することである。
[本開示の効果]
本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、回転サセプタ上の温度の不均一を抑制することができる。
【００１１】
［本開示に係る実施形態の説明]
まず、本開示に係る実施形態を列記して説明する。
【００１２】
（１）本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備えている。回転軸の内周面には、回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されている。
【００１３】
上記（１）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置においては、回転軸の内部に形成された空洞を介した輻射が、遮蔽板により抑制される。その結果、回転軸を介した回転サセプタからの放熱が抑制され、回転サセプタ上の温度の不均一を抑制することができる。
【００１４】
（２）本開示の他の態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、炭化珪素基板が載置される回転サセプタと、回転サセプタに取り付けられた円筒形状の回転軸とを備えている。回転軸は、第１円筒部と、第２円筒部とを有している。第１円筒部の下端部は、第２円筒部の上端部に点接触又は線接触で嵌合されている。
【００１５】
上記（２）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置においては、第１円筒部と第２円筒部とが点接触又は線接触で嵌合されており、当該嵌合部において伝熱抵抗が大きくなっている。そのため、上記（２）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、回転軸を介した回転サセプタからの放熱が抑制され、回転サセプタ上の温度の不均一を抑制することができる。
【００１６】
（３）上記（２）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置において、回転軸の内周面には、回転軸の中心軸と交差するように延在している遮蔽板が形成されていてもよい。
【００１７】
上記（３）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、回転軸を介した回転サセプタからの放熱がさらに抑制され、回転サセプタ上の温度の不均一をさらに抑制することができる。
【００１８】
（４）上記（１）〜上記（３）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置において、回転軸は、窒化珪素、アルミナ、サファイア又はジルコニアで形成されていてもよい。
【００１９】
回転軸を構成する上記の材料は熱伝導率が相対的に低い材料であるため、上記（４）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、回転軸を介したチャンバの外部への放熱がさらに抑制され、回転サセプタ上の温度の不均一をさらに抑制することができる。
【００２０】
［本開示に係る実施形態の詳細］
本開示に係る実施形態の詳細を、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照記号を付すものとし、重複する説明は繰り返さないものとする。
【００２１】
（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置（以下においては、製造装置１００という）の構成を説明する。
【００２２】
図１は、製造装置１００の断面図である。図１に示されるように、製造装置１００は、横型のホットウォール式ＣＶＤ装置である。製造装置１００は、石英管１と、発熱体２と、回転サセプタ３と、回転軸４と、断熱部材５と、誘導加熱コイル６とを有している。
【００２３】
石英管１は、筒状の形状を有している。石英管１の長手方向における一方端及び他方端は、閉塞されている。石英管１の長手方向における一方端には、ガス導入管１１が設けられており、石英管１の長手方向における他方端には、ガス排出管１２が設けられている。ガス導入管１１及びガス排出管１２は、石英管１の内部に連通している。
【００２４】
ガス導入管１１からは、石英管１の内部に炭素原料ガス、珪素原料ガス、不純物原料ガス及びキャリアガスが導入される。炭素原料ガスには、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスが用いられる。珪素原料ガスには、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスが用いられる。不純物原料ガスには、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガス及び窒素（Ｎ２）ガスが用いられる。キャリアガスには、例えば水素（Ｈ２）ガスが用いられる。ガス排出管１２からは、後述するエピタキシャル層が炭化珪素基板５０上に形成された後に石英管１内に残存するガスが排出される。なお、図１中において、これらのガスの流れは、矢印で示されている。
【００２５】
発熱体２は、筒状の形状を有している。発熱体は、例えば黒鉛で形成されている。発熱体２は、石英管１の内部に配置されている。なお、以下においては、発熱体２の内部の空間を、チャンバということがある。
【００２６】
回転サセプタ３は、第１主面３ａと第２主面３ｂとを有している。第１主面３ａ上には、炭化珪素基板５０（炭化珪素基板５０は、図１中において点線で示されている）が載置されている。第２主面３ｂは、第１主面３ａの反対面である。回転サセプタ３は発熱体２の内部に配置されている。回転サセプタ３は、例えば黒鉛で形成されている。回転サセプタ３の表面は炭化珪素によりコーティングされていてもよい。回転サセプタ３は、炭化珪素で形成されていてもよい。
【００２７】
回転軸４は、円筒形状を有している。回転軸４は、一方端において、回転サセプタ３（第２主面３ｂ）に取り付けられている。回転軸４は、他方端において、駆動機構（図示せず）に取り付けられている。回転軸４は、第１主面３ａ及び第２主面３ｂに交差する方向に延在している。回転軸４は、駆動機構により、その中心軸周りに回転駆動される。その結果、回転サセプタ３は、その中心軸周りに回転することになる。
【００２８】
回転軸４は、耐熱性があり、かつ、熱伝導率が低い材料で形成されている。回転軸４は、少なくとも１０００℃以下の温度範囲において、温度上昇に伴って熱伝導率が低下する材料で構成されていることが好ましい。回転軸４を構成する材料の熱伝導率は、１０００℃で測定した際に、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。回転軸４は、例えば、窒化珪素、アルミナ、サファイア、ジルコニア等で形成されている。
【００２９】
図２は、製造装置１００における回転軸４の拡大断面図である。図２に示されるように、回転軸４の内周面には遮蔽板４１及び遮蔽板４２が形成されている。遮蔽板４１及び遮蔽板４２は、回転軸４の内周面から、回転軸４の中心軸に交差する方向に延在している。遮蔽板４１は、少なくとも一部において、回転軸４の内周面から離間していることが好ましい。遮蔽板４１及び遮蔽板４２は、互いに同一の形状を有しており、回転軸４の中心軸に関して対称な位置に配置されていることが好ましい。また、遮蔽板４１及び遮蔽板４２は、回転サセプタ３側から見て隙間が生じないように形成されていることが好ましい。
【００３０】
図１に示されるように、断熱部材５は、発熱体２の外周面を取り囲むように、発熱体２と石英管１との間に配置されている。なお、断熱部材５、発熱体２及び石英管１には、回転軸４を挿通するための貫通穴が形成されている。
【００３１】
誘導加熱コイル６は、石英管１の外周面に沿って巻き回されている。誘導加熱コイル６は、通電されることにより、発熱体２及び回転サセプタ３を誘導加熱する。炭化珪素基板５０は、回転サセプタ３からの熱伝導並びに発熱体２及び回転サセプタ３からの輻射により、加熱される。なお、発熱体２と石英管１との間には断熱部材５が配置されているため、石英管１は殆ど加熱されない。
【００３２】
以下に、製造装置１００の動作を説明する。図３は、炭化珪素基板５０上にエピタキシャル層を形成する際の工程図である。図３に示されるように、準備工程Ｓ１、載置工程Ｓ２、昇温工程Ｓ３及びエピタキシャル成長工程Ｓ４が行われることにより、炭化珪素基板５０上にエピタキシャル層が形成される。
【００３３】
準備工程Ｓ１においては、炭化珪素基板５０が準備される。炭化珪素基板５０の準備は、例えば、炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより行われる。このスライスは、炭化珪素基板５０の主面が所定の結晶面に対して所定の結晶方位において所定の角度だけ傾くように行われることが好ましい。この所定の結晶面は例えば｛０００１｝面であり、この所定の結晶方位は＜１１−２０＞方向であり、所定の角度は例えば２°以上６°以下である。このスライスが行われた後に、炭化珪素基板５０の表面は、研磨されてもよい。
【００３４】
載置工程Ｓ２においては、準備工程Ｓ１において準備された炭化珪素基板５０が、回転サセプタ３上に載置される。載置工程Ｓ２以降の工程は、製造装置１００の内部において行われる。
【００３５】
昇温工程Ｓ３においては、誘導加熱コイル６に通電することにより、チャンバ内が所定の温度まで昇温される。
【００３６】
エピタキシャル成長工程Ｓ４においては、ガス導入管１１を介して、チャンバ内に原料ガス（炭素原料ガス、珪素原料ガス、不純物原料ガス）及びキャリアガスが導入される。この原料ガスが回転サセプタ３上に載置された炭化珪素基板５０の表面において反応することにより、炭化珪素の単結晶からなるエピタキシャル層が、炭化珪素基板５０上に形成される。
【００３７】
以下に、製造装置１００の効果を比較例と対比しながら説明する。
図４は、第１比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置における回転軸４ａの拡大断面図である。第１比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、回転軸４に代えて回転軸４ａが用いられている点を除き、製造装置１００と同一の構成を有している。
【００３８】
図４に示されるように、回転軸４ａは、円柱形状を有している。すなわち、回転軸４ａは、中実の部材で形成されているため、回転サセプタ３が保持している熱は、熱伝導により回転軸４ａを介して放出されやすく、回転サセプタ３上における温度の均一性が損なわれやすい。
【００３９】
図５は、第２比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置における回転軸４ｂの拡大断面図である。第２比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、回転軸４に代えて回転軸４ｂが用いられている点を除き、製造装置１００と同一の構成を有している。
【００４０】
図５に示されるように、回転軸４ｂは、円筒形状を有している。すなわち、回転軸４ｂは、中空の部材で形成されているため、回転サセプタ３が保持している熱は、熱伝導により回転軸４ａを介して放出されにくい。しかしながら、回転軸４ｂは回転サセプタ３の保持している熱が回転軸４ｂの内部空間を介して輻射により放出されてしまうことを抑制できない。
【００４１】
一方で、製造装置１００においては、回転軸４が円筒形状を有している（回転軸４が中空部材で形成されている）ことに加え、回転軸４の内周面に遮蔽板４１及び遮蔽板４２が形成されているため、輻射による回転サセプタ３からの熱の放出が抑制されている。このように、製造装置１００によると、第１比較例及び第２比較例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置と比較して、回転軸４を介した回転サセプタ３からの熱の放出を抑制することができ、回転サセプタ３上における温度の不均一が抑制できる。
【００４２】
なお、回転サセプタ３上における温度の不均一は、その上に載置されている炭化珪素基板５０上における温度の不均一の原因となる。炭化珪素基板５０上における温度の不均一は、炭化珪素基板５０上に成長するエピタキシャル層中におけるキャリア濃度の不均一の原因となる。そのため、製造装置１００によると、エピタキシャル層中におけるキャリア濃度の均一性を高めることが可能となる。
【００４３】
（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置（以下においては、製造装置２００という）の構成を説明する。ここでは、製造装置１００の構成と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
【００４４】
図６は、製造装置２００の断面図である。図６に示されるように、製造装置２００は、横型のホットウォール式ＣＶＤ装置である。製造装置２００は、石英管１と、発熱体２と、回転サセプタ３と、回転軸４と、断熱部材５と、誘導加熱コイル６とを有している。回転軸４の内周面には、遮蔽板４１及び遮蔽板４２が形成されている。これらの点に関して、製造装置２００の構成は、製造装置１００の構成と共通している。但し、製造装置２００においては、回転軸４の内周面に遮蔽板４１及び遮蔽板４２が形成されていなくてもよい。また、後述するように、製造装置２００において、回転軸４は、回転軸４の中心軸に沿う方向において、複数の部分に分割されている（図６中において図示せず）。
【００４５】
図７は、製造装置２００における回転軸４の拡大断面図である。図８は、第１円筒部４３と第２円筒部４４との嵌合部における部分側面図である。図７及び８に示されるように、回転軸４は、回転軸４の中心軸に沿う方向において、複数の部分に分割されている。より具体的には、回転軸４は、第１円筒部４３と、第２円筒部４４とを有している。この点に関して、製造装置２００の構成は、製造装置１００の構成と異なっている。
【００４６】
第１円筒部４３は、第２円筒部４４の上方に位置している（回転サセプタ３に近い位置にある）。第１円筒部４３及び第２円筒部４４は、円筒形状を有している。第１円筒部４３は、その上端部において、回転サセプタ３（第２主面３ｂ）に取り付けられている。第２円筒部４４は、その上端部において、第１円筒部４３の下端部に取り付けられている。
【００４７】
第１円筒部４３は、その下端部において、第２円筒部４４の上端部と点接触で嵌合されている。第１円筒部４３は、その下端部において、第２円筒部４４の上端部と線接触で嵌合されていてもよい。
【００４８】
より具体的には、図７に示されるように、第１円筒部４３の下端部４３ａにおける外径は、第２円筒部４４の上端部４４ａにおける内径よりも小さくなっている。第１円筒部４３の下端部４３ａが、第２円筒部４４の上端部４４ａに挿入されている。この際、第１円筒部４３の下端部４３ａにおける外周面と第２円筒部４４の上端部４４ａにおける内周面とは互いに点接触又は線接触している。第１円筒部４３の下端側の端面と第２円筒部４４の上端側における端面とは、互いに点接触又は線接触している。図８に示されるように、第１円筒部４３の下端側の端面には凸部４３ｂが設けられており、第２円筒部４４の上端側の端面には凹部４４ｂが設けられている。凸部４３ｂが凹部４４ｂに点接触又は線接触するように挿入されることにより、第１円筒部４３の第２円筒部４４に対する回転軸４の中心軸周りの相対的な回転が抑止されている。
【００４９】
製造装置２００の動作は、製造装置１００の動作と同様である。そのため、ここでは、製造装置２００の動作に関する説明は省略する。
【００５０】
以下に、製造装置２００の効果を説明する。ここでは、製造装置１００の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
【００５１】
製造装置２００においては、第１円筒部４３と第２円筒部４４とが点接触又は線接触で嵌合されている。当該嵌合部においては、第１円筒部４３と第２円筒部４４との接触部位が限定されているため、伝熱抵抗が大きくなっている。そのため、製造装置２００によると、回転軸４を介した回転サセプタ３からの放熱が抑制され、回転サセプタ３上の温度の不均一を抑制することができる。
【００５２】
（変形例）
上記においては、製造装置１００及び製造装置２００の例として、横型のホットウォール式ＣＶＤ装置を挙げたが、製造装置１００及び製造装置２００は、縦型のホットウォール式ＣＶＤ装置であってもよい。
【００５３】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５４】
１  石英管、１１  ガス導入管、１２  ガス排出管、２  発熱体、３  回転サセプタ、３ａ  第１主面、３ｂ  第２主面、４，４ａ，４ｂ  回転軸、４１，４２  遮蔽板、４３  第１円筒部、４３ａ  下端部、４３ｂ  凸部、４４  第２円筒部、４４ａ  上端部、４４ｂ  凹部、５  断熱部材、６  誘導加熱コイル、１００，２００  製造装置、Ｓ１  準備工程、Ｓ２  載置工程、Ｓ３  昇温工程、Ｓ４  エピタキシャル成長工程、５０  炭化珪素基板
【図１】
2020105211.tif 000003
【図２】
2020105211.tif 000004
【図３】
2020105211.tif 000005
【図４】
2020105211.tif 000006
【図５】
2020105211.tif 000007
【図６】
2020105211.tif 000008
【図７】
2020105211.tif 000009
【図８】
2020105211.tif 000010
【国際調査報告】
2020105211.tif 000011
2020105211.tif 000012
2020105211.tif 000013
2020105211.tif 000014