JP6149796B2 - エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶基板などの被処理基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置に関する。

シリコン単結晶基板などの被処理基板にエピタキシャル成長膜を形成するためのエピタキシャル成長装置として、ランプ加熱式エピタキシャル成長装置が知られている。典型的な従来のランプ加熱式シリコンエピタキシャル成長装置の水平断面図と垂直断面図を図６（ａ），図６（ｂ）に示す。

図６（ａ），図６（ｂ）において、符号１００は従来のランプ加熱式シリコンエピタキシャル成長装置１００を示す。従来のランプ加熱式シリコンエピタキシャル成長装置１００は、反応室１０２と、前記反応室１０２内に設置され、被処理基板Ｗを支持する回転可能なサセプタ１０６と、前記サセプタを下方から支持するサセプタサポート１０８と、反応性ガスを前記反応室１０２内に供給するガス供給手段１０９と、前記反応室１０２外に円形に配置された複数のランプ１１０による加熱手段１１２と、を有している。被処理基板Ｗは、回転可能なサセプタ１０６によって支持され、これを取り囲むように反応室１０２が気密に形成されている。なお、符号１０４は、装置の枠体を示す。

サセプタサポート１０８は、サセプタ１０６の裏面から前記サセプタ１０６を回転可能に支持し、サセプタサポート１０８には、複数の腕部１０７が放射状に分岐するように設けられている。前記腕部１０７の先端部は、サセプタ１０６の裏面に形成された複数の対応する嵌合凹部に嵌合され、これにより前記サセプタ１０６を支持するようになっている。このようなサセプタ１０６及びサセプタサポート１０８は、同一の材質で構成され、例えばグラファイトに炭化ケイ素を被覆したものなどが用いられる。

反応室１０２の壁の少なくとも一部は透明な材料で形成され、反応室１０２の外部にランプ１１０と上部のリフレクタ１１４と下部のリフレクタ１１５が置かれる。反応ガスは左側のインジェクタ１１６から反応室１０２に入りシリコン基板である被処理基板Ｗ上にエピタキシャル成長膜を残して右側の排気口１１８から排出される。このようなエピタキシャル成長装置１００の反応室１０２の壁は、反応ガスが無用な反応を起さないように被処理基板Ｗより低い温度に維持されるように、通常ブロワなどで冷却される。

被処理基板は通常、次のような手順で処理される（図７参照）。
始め、サセプタの温度を室温より高くエピタキシャル成長の処理温度よりも低い搬入温度に維持しておく。そこに被処理基板をロボットなどを用いて搬入し、サセプタ上に置く。次に被処理基板の温度をエピタキシャル成長の処理温度まで上げ、反応ガスを流通させてエピタキシャル膜を形成する。次に基板の温度を搬出温度まで下げ、ロボットなどを用いて反応室から搬出する。その後、再びサセプタの温度を上げクリーニングガスを流通させてサセプタをクリーニングした後、サセプタの温度を搬入温度にまで下げて次の被処理基板を搬入する。

このような繰り返される昇降温は、被処理基板を室温からエピタキシャル成長の処理温度に維持された反応室に突然搬入した場合の熱的ショックを防ぐ目的で行われるが、生産性の低下とエネルギーロスの一因ともなっていた。

生産性を向上させるために昇降温の速度を上げるにはサセプタの熱容量を小さくするのが最も効果的であるが、単に薄型軽量化するとエピタキシャル成長膜形成時に被処理基板とサセプタの間に形成されるブリッジ１２２（図８参照）によって、被処理基板を炉内から搬出する際にサセプタも一緒に持ち上げてしまい、サセプタサポートから外れるトラブルの頻度が増加するという問題があった。そのため、サセプタはブリッジが形成されても持ち上げられずにブリッジが破壊されるのに十分な重さを持っている必要があった。

被処理基板とサセプタの間に形成されたブリッジの様子を模式的に図８に示す。図８において、サセプタ１０６に載置された被処理基板Ｗにはエピタキシャル成長膜１２０が形成されているが、エピタキシャル成長膜形成時に被処理基板Ｗとサセプタ１０６との間にブリッジ１２２が形成されている。

上記したブリッジに起因するトラブルを解消するため、例えば特許文献１などのように、ブリッジを除去する工程を行うことも提案されているが、工程数が増えてしまうという問題があった。

特開２００４−３２７８００号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、サセプタの熱容量を小さくするため薄型軽量化しながらも、エピタキシャル成長膜形成時に被処理基板とサセプタの間に形成されるブリッジによって、被処理基板を炉内から搬出する際にサセプタも一緒に持ち上げてしまい、サセプタサポートから外れるトラブルが生じないようにしたエピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るエピタキシャル成長装置は、反応室と、前記反応室内に設置され、被処理基板を支持する回転可能なサセプタと、前記サセプタに嵌合されて前記サセプタを下方から支持するサセプタサポートと、反応性ガスを前記反応室内に供給するガス供給手段と、反応室外に配置された複数のランプによる加熱手段を具備したエピタキシャル成長装置であり、前記サセプタと前記サセプタサポートとを熱膨張率の異なる材質で構成し、前記サセプタと前記サセプタサポートとの熱膨張率の差により、室温では前記サセプタを前記サセプタサポートに取付けおよび取外しが可能な嵌合状態であり、エピタキシャル成長膜形成後に前記被処理基板を前記反応室内から搬出する温度では取付けおよび取外しが不可能な嵌合状態になることを特徴とする。

このように、本発明では、サセプタとサセプタサポートとを熱膨張率の異なる材質で構成することで、サセプタとサセプタを支えるサセプタサポートの熱膨張率の差により、室温ではサセプタをサセプタサポートに取付けおよび取外しが可能な嵌合状態であり、エピタキシャル成長膜形成後に被処理基板を炉内から搬出する温度では取付けおよび取外しが不可能な嵌合状態とすることができる。なお、本明細書において室温とは、通常の室内温度を指すが、０℃〜３０℃程度の範囲である。また、エピタキシャル成長膜形成後に被処理基板を炉内から搬出する温度としては、８００℃〜１２００℃が好ましい。

上記の構造により、エピタキシャル成長膜形成後に被処理基板を搬出する温度ではサセプタとサセプタサポートは一体化しており、被処理基板を炉内から搬出する際に被処理基板を持ち上げたとき、エピタキシャル成長により被処理基板とサセプタの間に生じたブリッジは一体化したサセプタとサセプタサポートの合計の重量を持ち上げることができずに破壊するため、サセプタサポートから外れるトラブルを生じることなく被処理基板のみを搬出することができる。

本発明によれば、サセプタの熱容量を小さくするため薄型軽量化しながらも、エピタキシャル成長膜形成時に被処理基板とサセプタの間に形成されるブリッジによって、被処理基板を炉内から搬出する際にサセプタも一緒に持ち上げてしまい、サセプタサポートから外れるトラブルが生じないようにしたエピタキシャル成長装置を提供することができるという著大な効果を奏する。

本発明に係るエピタキシャル成長装置のサセプタの概略平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示したサセプタの要部拡大図である。 本発明に係るエピタキシャル成長装置のサセプタサポートの概略斜視図である。 サセプタとサセプタサポートとの嵌合状態を示す一部断面模式図である。 従来のランプ加熱式シリコンエピタキシャル成長装置を示し、（ａ）が水平断面図、（ｂ）が垂直断面図である。 被処理基板にエピタキシャル成長膜を形成する際の処理手順とともにサセプタの温度変化を示すグラフである。 被処理基板とサセプタの間に形成されたブリッジの様子を示す模式的図である。

本発明に係るエピタキシャル成長装置の一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１〜５において、符号１０は、本発明に係るエピタキシャル成長装置のサセプタを示す。

図１〜３によく示される如く、サセプタ１０は、厚さ２ｍｍ、直径３７３ｍｍの炭化ケイ素製のサセプタであり、サセプタ１０の一方の面には被処理基板Ｗを収容するための深さ０．７６ｍｍ、直径３０３ｍｍのザグリ部１２が設けられている。サセプタ１０の周縁の３か所には、１辺が５ｍｍの方形の切欠き状の嵌合凹部１４が設けられている。

嵌合凹部１４は、図３によく示される如く、嵌合凹部１４に形成された３面のうち、中央面１６は主たる嵌合面であり、その下部が上部よりも延出した傾斜面とされている。すなわち、嵌合凹部１４の中央面１６はその下部よりも上部がサセプタ中心に近くなるようなテーパ状の傾斜面とされている。嵌合凹部１４に形成された残る２面の側面１８，２０は、垂直となるように構成されている。

図４にサセプタサポート２２を示す。図示例ではサセプタサポート２２は石英ガラスで作成した。直径２０ｍｍの中心軸２４に３方向に伸びる腕部２６が取付けられており、腕部２６の先端にはサセプタ支持部２８が形成されている。

サセプタ支持部２８は、図４に示される如く、水平支持部３０と嵌合凸部３２とを有する形状とされている。嵌合凸部３２は、その上部が下部に比べて中心軸２４に近くなるような逆テーパ状の傾斜面とされている。

そして、図５に示される如く、サセプタ１０の嵌合凹部１４にサセプタ支持部２８の嵌合凸部３２が嵌め込まれ、サセプタ１０がエピタキシャル成長膜形成時に熱膨張した際にはサセプタがサセプタサポートから外れなくなる構造とされている。また、サセプタ１０の嵌合凹部１４にサセプタ支持部２８が嵌め込まれる際には、微小の間隙３４が形成されるように構成されるのが好ましい。

なお、図１〜５の例では、サセプタ１０の周縁に嵌合凹部１４にサセプタ支持部２８が嵌め込まれて嵌合状態となる例を示したが、嵌合状態となればよいものであるから、嵌合状態は図示例に限定されるものではない。例えば、図６に示したように、サセプタの下面に嵌合凹部を設けてサセプタサポートのサセプタ支持部の嵌合凸部に嵌め込まれる構成としたりしてもよい。また、サセプタ側に嵌合凸部を設け、サセプタサポート側に嵌合凹部を設けて、サセプタにサセプタサポートが嵌合せしめられる構成とすることもできる。

例えば、シリコン単結晶基板表面へのエピタキシャル成長膜形成に用いられるエピタキシャル成長装置のサセプタには、グラファイトなどのカーボンに炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆したカーボンサセプタなどが用いられる。また、前記サセプタを支持するサセプタサポートには石英などが用いられる。

グラファイトに炭化ケイ素を被覆したカーボンサセプタの熱膨張率は約4×10^-6であり、それを支持する石英製のサセプタサポートの熱膨張率は約5×10^-7である。サセプタの直径が３５０ｍｍ、室温が２５℃、エピタキシャル成長膜形成後にシリコンウェーハを炉内から搬出する温度が９００℃とした場合、前記サセプタと前記サセプタサポートとの熱膨張の差は約１ｍｍとなる。したがって、上述した図５の間隙３４が約１ｍｍとなるように設計すれば、室温では前記サセプタをサセプタサポートに取付けおよび取外しが可能な嵌合状態であり、エピタキシャル成長膜形成後に被処理基板を炉内から搬出する温度では取付けおよび取外しが不可能な嵌合状態になる。このようにして、前記サセプタと前記サセプタサポートとの嵌合状態が変化するよう設計することが可能である。

本発明に係るエピタキシャル成長装置は、サセプタ及びサセプタサポートに特徴を有するものであり、それ以外の構成については、図６に示した従来のエピタキシャル成長装置と同様の構成とすることができる。

（実施例）
図１〜５に示した本発明のエピタキシャル成長装置を用い、表１に示した反応条件にて、直径３００ｍｍのシリコン単結晶基板表面に反応ガス（原料ガスがトリクロルシラン、キャリアガスが水素ガス）を供給して１μｍの厚さのエピタキシャル成長膜を前記基板上に形成した。カーボンサセプタは、グラファイトに炭化ケイ素を被覆したもので熱膨張率が約4×10^-6、それを支持するサセプタサポートは石英製であり熱膨張率が約5×10^-7のものを使用した。サセプタの直径は３５０ｍｍのものを使用した。室温は２５℃、エピタキシャル成長膜形成後にシリコンウェーハを炉内から搬出する温度は９００℃であった。上述した図５の間隙３４は約１ｍｍとなるように設計した。

本実施例では、４８枚目のシリコン単結晶基板にエピタキシャル成長膜を形成したところでもサセプタがサセプタサポートから外れるトラブルは生じなかった。なお、サセプタがサセプタサポートから外れている状態であるかどうかは、基板の膜厚分布の傾斜が大きく変化したかどうかを判定して検出した。

（比較例）
図６に示した従来のエピタキシャル成長装置を用い、実施例と同様に表１に示した反応条件にて、直径３００ｍｍのシリコン単結晶基板表面に反応ガス（原料ガスがトリクロルシラン、キャリアガスが水素ガス）を供給して１μｍの厚さのエピタキシャル成長膜を前記基板上に形成した。サセプタは、グラファイトに炭化ケイ素を被覆したもので熱膨張率が約4×10^-6、それを支持するサセプタサポートもグラファイトに炭化ケイ素を被覆したもので熱膨張率が約4×10^-6のものを使用した。サセプタの直径は３５０ｍｍのものを使用した。室温は２５℃、エピタキシャル成長膜形成後にシリコンウェーハを炉内から搬出する温度は９００℃であった。

表１に示される反応条件では、エピタキシャル成長膜形成時に被処理基板（シリコン単結晶基板）とサセプタの間にブリッジが形成され易い。このため、従来のサセプタとサセプタサポートを使用した比較例では、４枚目のシリコン単結晶基板にエピタキシャル成長膜を形成したところでサセプタがサセプタサポートから外れてしまった。

１０：本発明に係るエピタキシャル成長装置のサセプタ、１２：ザグリ部、１４：嵌合凹部、１６：中央面、１８，２０：側面、２２：サセプタサポート、２４：中心軸、２６：腕部、２８：サセプタ支持部、３０：水平支持部、３２：嵌合凸部、３４：間隙、１００：ランプ加熱式シリコンエピタキシャル成長装置、１０２：反応室、１０４：枠体、１０６：サセプタ、１０７：腕部、１０８：サセプタサポート、１０９：ガス供給手段、１１０：ランプ、１１２：加熱手段、１１４，１１５：リフレクタ、１１６：インジェクタ、１１８：排気口、１２０：エピタキシャル成長膜、１２２：ブリッジ、Ｗ：被処理基板。

Claims (3)

1. 反応室と、前記反応室内に設置され、被処理基板を支持する回転可能なサセプタと、前記サセプタに嵌合されて前記サセプタを下方から支持するサセプタサポートと、反応性ガスを前記反応室内に供給するガス供給手段と、反応室外に配置された複数のランプによる加熱手段を具備したエピタキシャル成長装置であり、
   前記サセプタと前記サセプタサポートとを熱膨張率の異なる材質で構成し、
   前記サセプタと前記サセプタサポートとの熱膨張率の差により、室温では前記サセプタを前記サセプタサポートに取付けおよび取外しが可能な嵌合状態であり、エピタキシャル成長膜形成後に前記被処理基板を前記反応室内から搬出する温度では取付けおよび取外しが不可能な嵌合状態になるエピタキシャル成長装置 。
2. 前記サセプタの材質が炭化ケイ素であり、前記サセプタサポートの材質が石英ガラスである請求項１記載のエピタキシャル成長装置。
3. 前記サセプタの材質が炭化ケイ素で被覆されたグラファイトであり、前記サセプタサポートの材質が石英ガラスである請求項１記載のエピタキシャル成長装置。