(57)【要約】  炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置は、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備える。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第１貫通穴が形成された壁部と、第１貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第１貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第１貫通穴と接続する第２貫通穴が形成されている。内部側の端部における第２貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第２貫通穴の断面積よりも大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英管と、
誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、
断熱部材とを備え、
前記石英管は、筒状部と、前記筒状部の一方端を閉塞するとともに、第１貫通穴が形成された壁部と、前記第１貫通穴において前記筒状部の内部と連通するように前記壁部に接続されているガス導入管とを有しており、
前記発熱体は、前記内部に配置されており、
前記断熱部材は、前記第１貫通穴の縁を覆うように前記壁部の前記内部側の面上に配置されており、
前記断熱部材には、前記第１貫通穴と接続する第２貫通穴が形成されており、
前記内部側の端部における前記第２貫通穴の断面積は、前記壁部側の端部における前記第２貫通穴の断面積よりも大きい、炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置。
【請求項２】
前記第２貫通穴の断面積は、前記壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加している、請求項１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３】
前記第２貫通穴は、第１部分と、第２部分とを有しており、
前記第１部分は、前記第２部分の前記壁部側の端に連なっており、
前記第１部分の断面積は、一定であり、
前記第２部分の断面積は、前記壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加している、請求項１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】
前記第２貫通穴は、第１部分と、第２部分とを有しており、
前記第１部分は、前記第２部分の前記壁部側の端に連なっており、
前記第１部分の断面積は、一定であり、
前記第２部分の断面積は、一定であり、かつ前記第１部分の断面積よりも大きい、請求項１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２０１８−２１７２２５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】
石英管は、筒状部と、壁部と、ガス導入管とを有している。壁部は、筒状部の一方端を閉塞している。壁部には、貫通穴が形成されている。ガス導入管は、貫通穴において筒状部の内部と連通するように、壁部に接続されている。【０００４】
発熱体及び回転サセプタは、筒状部の内部に配置されている。回転サセプタ上には、炭化珪素基板が載置されている。誘導加熱コイルは、筒状部の外周面に巻き回されているとともに、発熱体及び回転サセプタを誘導加熱する。ガス導入管からは、炭化珪素基板の表面上に原料ガス（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供給される。原料ガスが炭化珪素基板の表面上において反応することにより、炭化珪素基板の表面上にエピタキシャル層が結晶成長する。
【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、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備えている。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第１貫通穴が形成された壁部と、第１貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第１貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第１貫通穴と接続する第２貫通穴が形成されている。内部側の端部における第２貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第２貫通穴の断面積よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、製造装置１００の断面図である。
【図２】図２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】図３は、製造装置１１０のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。
【図４】図４は、製造装置１２０のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。
【図５】図５は、製造装置２００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。
【図６】図６は、製造装置３００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。
【図７】図７は、製造装置１００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[本開示が解決しようとする課題]
特許文献１に記載のＣＶＤ装置においては、上流側（ガス導入管に近い側）にある炭化珪素基板の部分の上方において、炭素原料ガスの分解が不十分となる場合がある。その結果、上流側にある炭化珪素半導体基板の部分においては、不純物がエピタキシャル層中に過剰に取り込まれる。これを避けるためには、発熱体からの輻射熱でガス導入管を通るガスを予備加熱し、炭素原料ガスの分解を促進することが有効であるが、当該輻射熱によりガス導入管の壁部側の端部が過度に加熱されてしまうおそれがある。
【０００９】
本開示の目的は、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス（原料ガス及びキャリアガス）を予備加熱することが可能な炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を提供する。
[本開示の効果]
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によると、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス（原料ガス及びキャリアガス）を予備加熱することが可能となる。
【００１０】
［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
【００１１】
（１）本開示の一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は、石英管と、誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルにより誘導加熱される発熱体と、断熱部材とを備える。石英管は、筒状部と、筒状部の一方端を閉塞するとともに、第１貫通穴が形成された壁部と、第１貫通穴において筒状部の内部と連通するように壁部に接続されているガス導入管とを有している。発熱体は、内部に配置されている。断熱部材は、第１貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されている。断熱部材には、第１貫通穴と接続する第２貫通穴が形成されている。内部側の端部における第２貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第２貫通穴の断面積よりも大きい。
【００１２】
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、断熱部材が第１貫通穴の縁を覆うように壁部の内部側の面上に配置されているため、ガス導入管の壁部側の端部が発熱体からの輻射から保護されている。また、内部側の端部における第２貫通穴の断面積は、壁部側の端部における第２貫通穴の断面積よりも大きくなっているため、発熱体からの輻射は、ガス導入管の内部に到達しやすくなる。そのため、上記（１）の炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置によると、ガス導入管の壁部側の端部を発熱源からの輻射から保護するとともに、ガス導入管を通るガス（原料ガス及びキャリアガス）を予備加熱することが可能となる。
【００１３】
（２）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、第２貫通穴の断面積は、壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加していてもよい。
【００１４】
（３）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、第２貫通穴は、第１部分と、第２部分とを有していてもよい。第１部分は、第２部分の壁部側の端に連なっていてもよい。第１部分の断面積は、一定であってもよい。第２部分の断面積は、壁部からの距離が大きくなるにしたがって連続的に増加していてもよい。
【００１５】
（４）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、第２貫通穴は、第１部分と、第２部分とを有していてもよい。第１部分は、第２部分の壁部側の端に連なっていてもよい。第１部分の断面積は、一定であってもよい。第２部分の断面積は、一定であり、かつ第１部分の断面積よりも大きくてもよい。
【００１６】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。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符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。また、以下においては、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を「製造装置１００」とし、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を「製造装置２００」とし、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を「製造装置３００」とする。
【００１７】
（製造装置１００の構成）
以下に、製造装置１００の構成を説明する。
【００１８】
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、縦型のホットウォール式ＣＶＤ装置であってもよいが、以下においては、横型のホットウォール式ＣＶＤ装置を製造装置１００の例として説明する。
【００１９】
製造装置１００は、石英管１と、発熱部材２と、回転サセプタ３と、回転軸４と、断熱部材５ａ及び断熱部材５ｂと、誘導加熱コイル６とを有している。
【００２０】
石英管１は、筒状部１１と、壁部１２及び壁部１３と、ガス導入管１４と、ガス排出管１５とを有している。
【００２１】
筒状部１１は、筒状の形状を有している。壁部１２は、一方端において筒状部１１を閉塞している。壁部１２には貫通穴１２ａが形成されている。貫通穴１２ａは、壁部１２を厚さ方向に貫通している。壁部１３は、他方端において筒状部１１を閉塞している。壁部１３には貫通穴１３ａが形成されている。貫通穴１３ａは、壁部１３を厚さ方向に貫通している。
【００２２】
ガス導入管１４は、筒状の形状を有している。ガス導入管１４は、貫通穴１２ａにおいて筒状部１１の内部と連通するように、壁部１２（より具体的には、壁部１２の外壁面）に接続されている。
【００２３】
ガス排出管１５は、筒状の形状を有している。ガス導入管１４は、貫通穴１３ａにおいて筒状部１１の内部と連通するように、壁部１３に接続されている。
【００２４】
ガス導入管１４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１５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の内部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】
発熱部材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。発熱部材２は、石英管１の内部（より具体的には、筒状部１１の内部）に配置されている。なお、以下においては、発熱部材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、発熱部材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、例えば、円筒形状を有している。回転軸４は、円柱形状を有していてもよい。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】
断熱部材５ａは、発熱部材２の外周面を取り囲むように、発熱部材２と石英管１（筒状部１１）との間に配置されている。なお、断熱部材５ａ、発熱部材２及び石英管１（筒状部１１）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。
【００２９】
断熱部材５ｂは、貫通穴１２ａの縁を覆うように、壁部１２の内壁面（壁部１２の発熱部材２及び回転サセプタ３側の面）上に取り付けられている。壁部１２の内壁面は、壁部１２の外壁面の反対面である。
【００３０】
断熱部材５ｂには、貫通穴５ｂａが形成されている。貫通穴５ｂａは、貫通穴１２ａと接続している。このことを別の観点からいえば、断熱部材５ｂは、貫通穴５ｂａが貫通穴１２ａと重なるように配置されている。貫通穴５ｂａは、壁部１２から離れるにつれて、その断面積が大きくなっている。ここでいう貫通穴５ｂａの断面積は、貫通穴５ｂａの中心軸方向に直交する断面における断面積のことである。すなわち、貫通穴５ｂａは、テーパ形状を有している。なお、断熱部材５ａ及び断熱部材５ｂは、一体に形成されていてもよい。
【００３１】
誘導加熱コイル６は、筒状部１１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、発熱部材２及び回転サセプタ３を誘導加熱する。すなわち、発熱部材２及び回転サセプタ３は、誘導加熱コイル６により誘導加熱される発熱体となっている。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部材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、発熱部材２と筒状部１１との間には断熱部材５ａ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２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２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１４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の変形例を説明する。ここでは、実施形態の第１変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置１１０」といい、実施形態の第２変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置を「製造装置１２０」という。
【００３８】
図３は、製造装置１１０のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。図３に示されるように、製造装置１１０において、貫通穴５ｂａは、第１部分５ｂａａと、第２部分５ｂａｂとを有している。第１部分５ｂａａは、第２部分５ｂａｂの壁部１２側の端に連なっている。
【００３９】
第１部分５ｂａａの断面積は、壁部１２からの距離に関わらず、一定となっている。第２部分５ｂａｂの断面積は、壁部１２からの距離（第１部分５ｂａａからの距離）が大きくなるにしたがって、大きくなっている。
【００４０】
図４は、製造装置１２０のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。図４に示されるように、製造装置１２０において、貫通穴５ｂａは、第１部分５ｂａａと、第２部分５ｂａｂとを有している。第１部分５ｂａａは、第２部分５ｂａｂの壁部１２側の端に連なっている。
【００４１】
第１部分５ｂａａの断面積は、壁部１２からの距離に関わらず、一定となっている。第２部分５ｂａｂの断面積は、壁部１２からの距離に関わらず、一定となっている。第２部分５ｂａｂの断面積は、第１部分５ｂａａの断面積よりも大きくなっている。このことを別の観点からいえば、製造装置１２０においては、貫通穴５ｂａの内壁に、ステップ構造が形成されている。
【００４２】
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５は、製造装置２００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。製造装置２００の構成は、断熱部材５ｂを有していない点を除き、製造装置１００の構成と同一である。図５に示されるように、製造装置２００においては、断熱部材５ｂが配置されていないため、ガス導入管１４の壁部１２側の端部は、発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射（この輻射は、図５中において矢印で示されている）に曝される。その結果、ガス導入管１４の壁部１２側の端部における温度が過度に上昇するおそれがある。この温度上昇は、ガス導入管１４の壁部１２側の端部における損傷の原因となる。
【００４３】
図６は、製造装置３００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。製造装置３００の構成は、貫通穴５ｂａの形状を除き、製造装置１００の構成と同一である。図６に示されるように、製造装置３００においては、貫通穴５ｂａの断面積は、壁部１２からの距離に関わらず、一定となっている。そのため、発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射（この輻射は、図６中において矢印で示されている）は、断熱部材５ｂで遮られやすく、ガス導入管１４の内部に到達しがたい。その結果、ガス導入管１４を流れるガス（原料ガス及びキャリアガス）の予備加熱が不十分となるおそれがある。
【００４４】
図７は、製造装置１００のガス導入管１４の壁部１２側の端部近傍における拡大断面図である。図７に示されるように、製造装置１００においては、貫通穴５ｂａの断面積が壁部１２から離れるほど、大きくなっている。そのため、発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射（この輻射は、図７中において矢印で示されている）は、断熱部材５ｂで遮られにくく、ガス導入管１４の内部に到達しやすい。その結果、ガス導入管１４を流れるガス（原料ガス及びキャリアガス）の予備加熱が相対的に行われやすくなり、炭素原料ガスの分解が促進されることで、上流側（ガス導入管１４に近い側）にある炭化珪素基板５０の部分において不純物がエピタキシャル層中に過度に取り込まれることが抑制される。
【００４５】
また、製造装置１００においては、断熱部材５ｂが貫通穴１２ａの縁を覆うように壁部１２の内壁面上に配置されているため、ガス導入管１４の壁部１２側の端部が発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射から保護されている。このように、製造装置１００によると、ガス導入管１４の壁部１２側の端部を発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射から保護するとともに、ガス導入管１４を通るガス（原料ガス及びキャリアガス）を予備加熱することが可能となる。
【００４６】
製造装置１１０及び製造装置１２０においても、同様に、ガス導入管１４の壁部１２側の端部が断熱部材５ｂにより発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射から保護されているとともに、発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射が断熱部材５ｂで遮られにくくなっている。そのため、製造装置１１０及び製造装置１２０によると、ガス導入管１４の壁部１２側の端部を発熱部材２及び回転サセプタ３からの輻射から保護するとともに、ガス導入管１４を通るガス（原料ガス及びキャリアガス）を予備加熱することが可能となる。
【００４７】
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】
【００４８】
１  石英管、２  発熱部材、３  回転サセプタ、３ａ  第１主面、３ｂ  第２主面、４  回転軸、５ａ，５ｂ  断熱部材、５ｂａ  貫通穴、５ｂａａ  第１部分、５ｂａｂ  第２部分、６  誘導加熱コイル、１１  筒状部、１２，１３  壁部、１２ａ，１３ａ  貫通穴、１４  ガス導入管、１５  ガス排出管、１００，１１０，１２０，２００，３００  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】
2020105212.tif 000003
【図２】
2020105212.tif 000004
【図３】
2020105212.tif 000005
【図４】
2020105212.tif 000006
【図５】
2020105212.tif 000007
【図６】
2020105212.tif 000008
【図７】
2020105212.tif 000009
【国際調査報告】
2020105212.tif 000010
2020105212.tif 000011
2020105212.tif 000012
2020105212.tif 000013