JP2013138164A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体製造装置において、基板を搭載するサセプタの表面温度を均一化し、膜厚のバラツキが低減された結晶膜を基板上に形成する。
【解決手段】基板を搭載するサセプタ４の厚みを、基板搭載面中心部で最も厚く、周辺部に向かって薄くなる厚みとし、基板搭載面とは反対側の形状をほぼ円錐形状にする。サセプタ４の周囲に、サセプタの最大厚みと同じ高さを持つ円筒状のヒーター５を配置する。これによりサセプタ裏面の中心部から周辺部に向かって生じる単位面積当たりの輻射熱受熱量の傾斜とサセプタ裏面から表面に伝達される伝達熱量の傾斜とがバランスし、基板搭載面の温度分布をほぼ均一にすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、反応室内に設置した基板の表面に結晶成長させて半導体を製造する装置に関し、特に基板を設置するサセプタの構造に特徴がある半導体製造装置に関する。

半導体製造装置には、基板の種類や基板の設置構造、反応ガスの供給方法、などによって種々の構造のものが使用されている。近年、膜厚を原子層オーダで制御することができるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が多用されている。ＭＯＣＶＤ等の半導体製造装置は、共通する基本的な構成として、基板を支持するサセプタ、サセプタを介して基板を加熱するヒーターなどを備えている。

良好な特性を持つ半導体を製造するために、基板上に組成や膜厚が均一な結晶が成長されることが要求される。均一な膜厚形成を実現するため基板温度の均一性が極めて重要であり、このため、基板を支持するサセプタには、高い均熱性が求められる。従来の半導体製造装置では、サセプタとヒーターとを遮熱板で囲み、熱が遮熱板の外側に伝わるのを防ぎ、サセプタを効率よく加熱するように工夫されている。それでもなお、基板の全面に亘って温度の高い均一性を達成することは困難である。特に、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体結晶の成長温度は１０５０℃程度の高温であり、サセプタからの輻射熱量が非常に大きく、サセプタの均熱制御が難しい。

一般的なサセプタとヒーターの構造とその温度分布を図１０に示す。なお、図１０においてはいずれも右端がサセプタの中央にあたり、中央より右側の部分は省略している。省略している部分についてはサセプタ中央にて反転したような構造と温度分布となっている。図１０（ａ）は、サセプタ４０の基板載置面（以下、基板載置面を表面、その反対側を裏面という）と反対側にヒーター５０を配置した構造の半導体装置におけるサセプタ表面の温度分布を示す図である。図示するように、サセプタ４０の裏面側に、ヒーター５０が配置されている。サセプタ４０の表面側から見たときに、ヒーター５０の面積はサセプタ４０の面積とほぼ同じであり、ヒーター５０から放熱される熱はサセプタ４０の全面に亘ってほぼ均一に伝わる。一方、サセプタ４０からの放熱は、遮熱板が設置されているものの、側面側から行われる。このため、サセプタ表面は、サセプタ中央で一番温度が高く、周囲に向かって温度が低くなる温度分布を示すようになる。

これに対し、図１０（ｂ）に示すように、ヒーター５５をサセプタ４０の側面に配置した構造の半導体装置では、サセプタ４０側面からの放熱の問題は解決されるが、ヒーター５５から伝導される熱はサセプタ自体の熱抵抗（熱損失）により中心に向かうにつれて少なくなるため、サセプタ周辺で温度が高く、中心に向かうにつれて温度が低くなる温度分布となる。

従来、サセプタ温度の均一性を向上させる技術、特にサセプタ周囲の温度が低くなる問題を解決する方法として、主としてヒーターの改善が提案されている。例えば、特許文献１には、サセプタの裏面側に配置されるヒーターの断面形状を、中央部と外周部とで異ならせることにより、外周部の温度が中心部より高くなる構造が開示されている。また特許文献２には、基板の下部に配置されたヒーターとは別に、基板を支持する環状ホルダの外周部にヒーターを配置するとともに、環状ホルダ等を回転させる回転ユニットの外側にヒーターを配置した構造が開示されている。さらに特許文献３には、ヒーターを内蔵するセラミックス製の円盤（盤状セラミックスヒーター）で基板を支持するとともに、盤状セラミックスヒーターの基板搭載面と反対側の面を球面状にして、ヒーターの放熱性を向上し、基板搭載面の均熱化を図ることが提案されている。

特開平０３−０８０５３０号公報 特開２００９−１７０６７６号公報 特公平０７−０７０４９１号公報

特許文献１に記載された技術は簡便ではあるが、ヒーターの断面形状を最適化してサセプタ温度を均一にするために、最適な形状を見出すために試行錯誤を繰り返す必要があり、均熱が得られるヒーターの製造に手間とコストがかかるという問題がある。またヒーターの外周部の温度が高くなるので、外周部の熱劣化が早くなりヒーター寿命が短い。

特許文献２に記載された技術では、基板の下側に設置された主ヒーターとは別に外周加熱用ヒーターや外部のヒーターが設けられているため、ヒーター数及びヒーター制御系が増加し、装置が複雑化するという問題がある。

特許文献３に記載された技術は、均熱化するための盤状セラミックスヒーターの形状を最適化するために多大な試行錯誤を要する。またヒーターとサセプタとを一体化しているため、いずれか一方を取り外す必要がある場合、全体を取り外さなければならない。例えば、サセプタに結晶硬度の高い窒化ガリウム等の堆積物が付着した場合、装置から取り外してウェットエッチンング等で除去し、再度取り付ける必要があるが、その場合、ヒーター電極についても取り外しや取り付けが必要となる。またウェットエッチンング洗浄の際に電極が損傷しないように保護する必要がある。或いはサセプタ部分には損傷がなくても、ヒーターの寿命が尽きたときには、全体を取り替える必要がある。

本発明は、上述した従来技術の諸問題を解決し、製造やメンテナンスにおける多大な手間やコストを不要とし、比較的簡易な構成でサセプタ表面の高い均熱性を実現することが可能な半導体製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、基板を加熱するヒーターをサセプタの側面に配置し、側面が受ける放射熱量がサセプタ中心から周辺に向かって傾斜を持つようなサセプタ形状を採用する。これにより、放射熱量とサセプタの裏面から表面（基板搭載面）に伝達される伝達熱量とを、サセプタ全体としてバランスさせることができ、均熱化を図ることができる。

即ち、本発明の半導体製造装置は、反応室と、反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、サセプタを側面から加熱する加熱手段とを備え、サセプタは、基板を搭載する面（基板搭載面）と垂直な方向の厚みが、基板搭載面の中心部から周辺部に向かって薄くなる形状を有する。

このようなサセプタの形状は、ほぼ円錐形状、すなわち基板搭載面の中心を通り、基板搭載面に垂直な断面において、ほぼ三角形の形状であり、三角形の二辺（基板搭載面の辺以外の辺）は直線であってもよいし、曲線状になっていてもよい。

加熱手段は好適には円筒形状を有する。そして円筒の軸方向の長さがサセプタの最大厚み以上であることが好ましい。加熱手段は、サセプタの側面の外側、或いは、基板搭載面の周辺部の裏面に近接して配置される。

また本発明の半導体製造装置は、中心部から周辺部に向かって薄くなる形状のサセプタと、基板を側面から加熱する加熱手段との間の空間に、当該空間を基板搭載面と平行に分割する遮熱板を配置したことを特徴とする。

サセプタを側面から加熱するように配置された加熱手段からの熱は、サセプタ外周部から中心部にむかって円錐形になった表面を加熱する。即ち、サセプタの裏面全体を加熱できる。この放射熱を受けるサセプタ裏面は、周辺部から中心部に向かって傾斜した形状であり、基板搭載面と平行な面で区切った場合、区切られた領域の面積は中心部に近いほうが小さく、周辺部に向かって大きくなる。従って、サセプタが受ける単位面積当たりの放射熱量は中心部に近いほど大きく、その受熱面の温度は高くなる。

一方、サセプタ表面温度は裏面温度より低いので、熱は裏面から表面方向に流れる。このとき、傾斜した裏面から基板搭載面までの距離即ちサセプタの厚みは、中心部から周辺部に向かって薄くなっているので、サセプタ内を伝播しサセプタ表面に伝わる熱の損失は、周辺部から中心部に向かって大きくなる。この伝導熱の損失により、上述した受熱面が受ける放射熱量の傾斜が相殺され、結果として、基板搭載面における均熱化を達成することができる。

特に基板と加熱手段との間の空間をゾーンに分割した場合には、各ゾーンに対応するサセプタ側面部分の受熱量を均一化することができ、より高い均熱化が実現できる。

本発明の半導体製造装置の第一実施形態を示す全体概要図 図１の装置のサセプタを示す図で、（ａ）は上から見た図、（ｂ）は側断面図である。 図１の装置に用いられる円筒状ヒーターを示す上面図及び側面図で、（ａ）は横式ヒーター、（ｂ）縦式ヒーター、（ｃ）はスリットのない筒状ヒーターである。 第一実施形態のサセプタのサイズとヒーターの高さとの関係を説明する図 （ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、第一実施形態〜第五実施形態のサセプタ形状を示す断面図 本発明の半導体製造装置の第六実施形態を示す全体概要と、サセプタの上面及び側断面を示す図 従来の半導体製造装置を示す全体概要図 実施例で製造する結晶膜の構造を示す断面図 実施例におけるサセプタの温度測定位置を示す図 本発明及び従来の半導体製造装置のサセプタにおける熱分布を説明する図で、（ａ）はヒーターをサセプタ裏面に配置した場合、（ｂ）はヒーターをサセプタ側面に配置した場合、（ｃ）は本発明の第一実施形態の配置を示す。 第七実施形態の半導体製造装置の全体概要を示す図 （ａ）、（ｂ）は、図１１の半導体製造装置のヒーター室の上面図および側面図。 第七実施形態の遮熱板の機能を説明する図で、（ａ）は遮熱板がない場合、（ｂ）は遮熱板を配置した場合を示す。 遮熱板の支持構造の一例を示す図 遮熱板の支持構造の他の例を示す図 第八実施形態の半導体製造装置の全体概要を示す図 （ａ）、（ｂ）は、図１６の半導体製造装置のヒーター室の上面図および側面図。

以下、本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明が適用されるＭＯＣＶＤ装置の概要を示す図である。このＭＯＣＶＤ装置１００は、有機金属材料を用いて、サファイア、シリコン、窒化ガリウム基板、シリコンカーバイト基板等の基板上に化合物半導体結晶を成長させる装置であり、外部と気密にされた反応容器１と、反応容器１内に材料ガスを供給するためのガス供給管２と、ガス供給管２が接続され、反応容器１内に設置されたフローチャンネル３と、基板９を搭載し且つ搭載した基板９がフローチャンネル３を流れる材料ガスと接するようにフローチャンネル３に面して配置されるサセプタ４と、サセプタ４の周囲に配置されたヒーター５と、サセプタ４及びヒーター５を取り囲む遮熱板６と、サセプタ４を回転させる回転機構７と、ヒーター５及び遮熱板６が配置される空間（ヒーター室）を反応容器１の他の空間から仕切る隔壁８とを備えている。

反応容器１には、材料ガスを供給するガス供給管２とは別に、不活性ガスを反応容器１内に供給するパージガス供給管１０が接続されるとともに、排気管１３が接続されており、反応容器1内に拡散する材料ガス等を排気する構造になっている。図示する例では、パージガス供給管１０は、ヒーター室側とその外側とに二系統（１１、１２）設けられている。パージガス供給管１１、１２から供給される不活性ガスは、サセプタ４、ヒーター５、遮熱板６などを腐食しないガスであればよく、具体的には窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。

材料ガスは、有機金属ガスの他に、例えば水素ガスや窒素ガスなど複数種類用いられる。ガス供給管２は、これらガスの種類に合わせて、複数のガス供給管２１、２２（図では２つ）設けられる。フローチャンネル３内部は、ガス毎に流路が仕切られており、基板９の上部でこれらガスが混合されて反応する構造になっている。またフローチャンネル３の下流には、フローチャンネル排気管１４が接続されている。フローチャンネル排気管１４の端部は反応容器１の排気管１３内に収納され、反応に使われなかった余剰の材料ガスや反応によって生じた副生ガスなどはこの排気管１３から反応容器１の外部に排出される。

隔壁８は、水冷ジャケット式の隔壁８で構成することができ、ヒーター室の高温と外側とを熱的に遮断するとともに、材料ガス等がヒーター室内に流入するのを防止する。遮熱板６は、低熱伝導性の材料、例えばボロンナイトライド（ＢＮ）、パイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）からなる板材で、サセプタ４の底面及びヒーター５を囲むように、側面及び底面側に複数枚を重ねた状態で配置される。

サセプタ４は、熱伝導性の良好な材料、例えばグラファイト等のカーボン材料の表面をＳｉＣ膜でコートした材料からなり、ほぼ円錐状の形状を有し、円錐の底面となる面（図２では上面）が基板搭載面となるように反応容器１に配置されている。

サセプタ４の形状について、さらに、図２を参照して詳述する。図２（ａ）は、図１に示す装置のサセプタ４を上から見た図であり、図２（ｂ）は基板搭載面の中心を含む側断面を示す図である。図示するように、サセプタ４の基板搭載面４１には、その外周から少し内側に基板９を搭載するための凹部４２が形成されている。この凹部４２の外周とサセプタ４の外周との間の環状の部分を周辺部４３と呼ぶ。サセプタ４の基板搭載面の径φは、フローチャンネル３を上から見たときの幅Ｗよりも小さく、サセプタの凹部４２に搭載された基板９が確実に材料ガス（混合ガス）と接触するようになっている。

サセプタ４の基板搭載面と反対側（裏面側）の形状は、図２（ｂ）の断面図に示すように、基板搭載面の径φと等しい径を持つ部分（リム部）４４とそれに続く円錐部４５とからなり、基板搭載面４１と垂直な方向のサセプタ４の高さ（すなわちサセプタ４の厚み）で表現したときに、厚みが中心部で最も厚く、周辺部に向かって薄くなっている。基板搭載面の径φと最大厚みＴとの関係は、後述するヒーター５の高さと基板搭載面の径φとの関係及びヒーターの高さとサセプタの最大厚みｔの関係から決定することができる。一例として、サセプタの上面の直径φを６０ｍｍであるとすると、リム部４３の厚みが２ｍｍ、円錐部の高さが１５ｍｍである。

サセプタ４の裏面の中心は、反応容器１の外部に設けられた回転機構７に接続され、反応時には回転機構７によってサセプタ４が回転する。これによりサセプタ４に搭載された基板９上での結晶成長をむらなく進行させることができる。

ヒーター５は、サセプタ４の径φよりも径が大きい円筒形状を有し、円筒の周に沿って或いは軸方向に複数のスリットを形成し、電極端子の一方から他方までの実質的な電極間距離を長く形成したものである。ヒーター５の高さＨは、サセプタ４の中心部の厚みＴとほぼ同程度であり、これによりサセプタ４の裏面側全体をヒーター５が囲む構造になっている。

円筒状のヒーター５には、スリットの入れ方により横式と縦式があり、そのいずれも採用することができる。図３（ａ）〜（ｃ）に円筒状ヒーター５の一例を示す。図３（ａ）は円筒の周方向に沿ってスリットを形成した横式のヒーターであり、図３（ｂ）は円筒の軸方向の上下から互い違いにスリットを形成した縦式のヒーターである。いずれも両電極間は電気的且つ物理的につながっており、反応容器１の外部にある不図示の電源に接続されている。また原理的には、図３（ｃ）に示すようなスリットが入っていない円筒状のヒーターも採用することができる。

ヒーター５の円筒軸方向のサイズつまり高さＨは、ヒーター５が作る円筒の内面の面積と、サセプタ４の上面の面積とがほぼ等しくなるように設計することが好ましい。これによりヒーター５の発熱量は、図４に示すように、板状のサセプタ４０の裏面に同面積のヒーター５０を配置した構造のヒーター５０の発熱量と同じになる。例えば、サセプタの半径及びヒーター５が形成する円筒の半径がともにｒ（＝φ/２）であるとして、サセプタ４上面の面積（円筒の内面の面積）をＳとすると、Ｓ＝π×ｒ^２であるので、高さＨ＝Ｓ÷（２πｒ）＝ｒ／２となる。即ちヒーター５の高さＨは、サセプタ４の半径ｒの１/２と等しくすればよいことになる。

次に図１０（ｃ）を参照して本実施形態による均熱化の効果を説明する。図１０（ｃ）は、上から順に、温度分布、側断面、上から見たサセプタの集熱効果を示す図である。ヒーター５の面積をサセプタ４上面の面積と同じにし、ヒーター５の高さをサセプタ４の高さと同じにした場合、平坦なサセプタ４の下面に同面積のヒーターを配置した場合(図１０（ａ)）と同じ熱量がサセプタ裏面全体に放射される。ヒーター５からの輻射熱の放射方向には広がりがあるが、円筒の軸に直交する成分が最も輻射量は多く、また円筒の軸に沿って均一である。しかし、輻射熱を受けるサセプタ４の裏面の面積は、サセプタ４周辺部で最も大きく中心部に向かうに従い減少する。従って、サセプタの単位面積が受ける熱量は中心部が最も大きく、この受熱量が最大となる。この単位面積当たりの熱量は、円錐の円周に反比例する。

一方、サセプタ４の裏面から熱伝導により基板搭載面に熱が伝わる際に、サセプタ裏面と基板搭載面との距離に比例した熱損失を受ける。サセプタ裏面と基板搭載面との距離と、距離の位置における円錐の半径とは、サセプタ形状が円錐形である本実施形態の場合、反比例の関係にある。従って、裏面の円錐の高さ方向における単位面積当たりの輻射熱量の変化（減少又は増加）は、裏面と基板搭載面との距離の変化による熱損失によって相殺され、最終的に基板搭載面が受け取る熱はほぼ均一となり、基板搭載面の温度の均一性が実現できる。

本実施形態によれば、円筒状のヒーター５をサセプタ４の外周に配置するとともに、サセプタ４の基板搭載面と反対側の形状を円錐形状としたことにより、平板状のサセプタの裏面にヒーターを配置した場合と同様の熱量をサセプタに供給することができ、且つサセプタ側面からの抜熱を防止することができる。また、円筒状ヒーターの高さを円錐状のサセプタの高さとほぼ同じにしたことにより、サセプタの裏面全体にヒーターからの熱を供給することができる。すなわち、本実施形態の構造によれば、ヒーターをサセプタ裏面に配置した場合の側面からの抜熱とそれによるサセプタ周辺部温度の低下の問題、及びヒーターを側面に配置した場合のサセプタ中央部への熱伝導損とそれによるサセプタ中央部温度の低下の問題を、同時に解決することができる。

さらに本実施形態によれば、円筒状のヒーターからサセプタ裏面が受ける輻射熱と、サセプタ裏面から基板搭載面に到達する伝導熱とを量的にバランスすることができるので、最終的に基板搭載面において均一な温度分布を達成することができる。

以上、本発明の基本的な実施形態を説明したが、発明の趣旨を損なわない範囲で、サセプタの形状やヒーターの配置を種々に変更することが可能である。以下、変更例を説明する。

＜第二〜第五実施形態＞
図５（ａ）〜（ｅ）に、サセプタ形状の種々の実施形態を示す。図中、点線は、円錐を底面に平行な面で３つの領域（周辺部、中央部、中周部）に分けた場合の各領域の境界を示している。図５（ａ）は、上述した第一実施形態であり、基本的な円錐形状の裏面を持つサセプタである。この実施形態では、前述したとおり、円錐の頂点から底面まで、サセプタ裏面が受ける単位面積当たりの輻射熱量が線形に変化する。従って、受熱面の面積は円錐の円周に比例して増加する。図５（ｂ）は、円錐の錐面を外側に膨らませた形状のサセプタであり、ヒーターからの輻射熱を受ける面積が円錐の頂点に近い部分では急に増加し、周辺部に近付くに従い増加が緩やかになる。即ち、図５（ａ）に示す実施形態に比べて、周辺部が受ける熱量が増加し、受熱量が多くなる領域（受熱ゾーン）が周辺部に生じる。

図５（ｃ）は、円錐の錐面を内側に凹ませた形状のサセプタであり、ヒーターからの輻射熱を受ける面積が円錐の頂点に近い部分では緩やかに増加し、周辺部に近付くに従い増加が急峻になる。即ち、図５（ａ）に示す実施形態に比べて、サセプタ中央部が受ける熱量が増加し、受熱ゾーンは中央部側に移動する。

図５（ｂ）及び（ｃ）は、図示するサセプタ形状の断面図において、円錐の頂点と底面外周とをつなぐ線の傾きが単調に変化する場合であるが、図５（ｄ）、（ｅ）は変曲点を持つ場合である。ただし、図５（ｄ）では頂点近傍と周辺部近傍における傾きの変化が大きく、サセプタ中心と周辺部との間の領域（中周部）で表面温度が低くなる。図５（ｅ）では頂点と周辺部との間の領域における傾きの変化が大きく、サセプタ中心と周辺部との間の領域（中周部）で表面温度が高くなる。

サセプタの形状をこれら実施形態で示すように変化させることにより、ヒーターからの輻射熱の受熱面形状を変化させて、サセプタの領域（周辺部、中央部、中周部）毎に単位面積当たりの受熱量を調整することができる。

＜第六実施形態＞
図６にヒーターの配置を異ならせた実施形態を示す。図２と同一の要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。図２に示す実施形態では、サセプタ周辺部の外側にヒーターを配置する構造を示したが、本実施形態では、基板９を搭載する凹部４２を除く周辺部４３の下側にヒーター５を配置している。ヒーターの構造は、第一実施形態と同様であり、図３に示す円筒状のものが採用できる。

本実施形態においては、サセプタ４は、円錐の錐面が外側に凸になった形状（図５（ｂ）の形状）のサセプタを採用している。またサセプタ４の裏面側に形成される円錐部４５の底面の径φは、サセプタの基板搭載面の径Φより小さく、リム部４４の裏面に平坦な領域（平坦部）４６が形成されている。この平坦部４６に近接してヒーター５が配置される。一例として、サセプタの上面の直径φを６０ｍｍであるとすると、リム部の厚みが１ｍｍ、円錐部４５の径が５４ｍｍ、高さが１３ｍｍである。

サセプタ４の円錐部４５で、ヒーター５から円筒の中心に向かって放射された熱を受け、基板搭載面４１に向かって熱伝導が行われ、基板搭載面の均熱化が達せされることは第一実施形態と同様であるが、円錐部の形状を凸形状にしていることから、第1実施形態に比べ受熱ゾーンが外側に移動し、外周側の受熱量が増加する構造になっている。
また本実施形態では、サセプタ外周部に平坦部４６を有する厚みの薄いリム４４を設けているので、ヒーター５をサセプタ裏面に近接して配置することができ、熱の利用効率を高めることができる。またヒーター５から上方に向かう熱が平坦部によって遮断されるので、基板搭載面の周辺部４１上に材料ガスの反応生成物が堆積するのを抑制できるという効果も得ることができる。

なお図示する実施形態では、円錐形状が外側に凸状になった形状（図５（ｂ））とし、外周部の温度が高くなる構造としているが、図５に示す他の形状を採用することもできる。

＜第七実施形態＞
本実施形態は、上述した第一〜第六実施形態の構造を基本として、サセプタの周囲に、サセプタの基板搭載面と平行に遮熱板を配置したことを特徴とし、基板搭載面の温度分布の均一化をさらに向上したものである。

以下、本実施形態を第一実施形態のＭＯＣＶＤ装置に適用した装置を、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置の全体概要を示す図、図１２（ａ）、（ｂ）は、ヒーター室の上面図および側面図である。図１１及び図１２において、第一実施形態と同一の要素は同一の符号で示している。

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置は、サセプタとそれを側面から加熱するヒーターとの間の構造に特徴があり、その他の構成は第一実施形態と同様であるので、以下、主として特徴部分を説明する。

サセプタ４は、円錐形を逆さにした形状を有し、円錐の底面に相当する上面が基板９を搭載する基板搭載面であり、基板９を載置するための凹部が形成されている。円錐の頂点に相当するサセプタ４の底面には、回転機構の回転軸が接続され、サセプタ４は回転軸を中心に回転することができる。

サセプタ４の底面より下側の回転軸の周囲には、円盤状の遮熱板６１が複数枚、所定の間隔を持って配置されている。これら遮熱板６１の機能は、ヒーター５の熱が外部に逃げるのを防止するものであり、ヒーター５の径と同じかそれ以上の径を有し、サセプタ４とヒーター５が置かれた空間をその外側から遮熱する。遮熱は、遮熱板６１と遮熱板間に存在する空気層とを交互に配置することにより、効率よく行うことができ、上記観点から遮熱板の枚数、遮熱板の厚み及び遮熱板間の間隔即ち空気層の厚みが設計されている。具体的には、厚み０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の遮熱板６１が０．５ｍｍ程度の間隔で２枚〜８枚配置されている。これら遮熱板６１は、ＰＢＮ、ＢＮ、Ｍｏ等の耐熱性があり且つ熱伝導性の良好な材料からなる。特に高温にさらされる最上段或いは最上段を含む上方の遮熱板６は耐腐食性の高いＰＢＮからなることが好ましい。

またヒーター５と遮熱板６１を取り囲むように円筒状の遮熱板６３が配置されている。この遮熱板６３の機能もサセプタ４下側に配置された遮熱板６１と同様に、サセプタ４及びヒーター５が置かれた空間をその外側から遮熱することであり、１枚〜３枚が同心円状に０．２ｍｍ程度の間隔を持って配置されている。これら円筒状の遮熱板６３は、フローチャンネル３の底板に上記間隔となるように固定されている。また円盤状の遮熱板６１は、最も内側の遮熱板６３に固定されている。

ヒーター５は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような、概略円筒形状のヒーターからなり、円筒の高さは、サセプタ４の基板搭載面から底面まで高さ（即ちサセプタ４の最大厚み）とほぼ同じであり、実質的にサセプタ４の側面を覆い、側面からサセプタ４を加熱するように構成されている。

ヒーター５で囲まれた円筒状の空間５５は、サセプタ４裏面の逆円錐形状を凹部とする空間であり、この空間に複数のドーナツ状の遮熱板６５が、その主平面が基板搭載面と平行となるように配置されている。複数の遮熱板６５は、いずれも外径は同一であるが、内径はサセプタ４の径の変化に対応して異なり、サセプタ４の底面側で小さく、基板搭載面に近づくにつれ大きくなる。

これらドーナツ状の遮熱板６５は、空間５５を複数のゾーンに分割し、各ゾーンにおいてヒーター５からサセプタ４の側面に向かう輻射熱の方向を制御するものであり、上述した遮熱板６１、６３とは異なる機能を有する。遮熱板６５の機能を、図１３を参照して説明する。図１３の（ａ）は遮熱板を設けていない場合（第一実施形態）、（ｂ）は遮熱板を設けた場合を示し、それぞれ中央にヒーター５とサセプタ４を含む装置の構造図を示し、その上に基板搭載面における温度分布、下にヒーターからの輻射熱の広がりを示している。また上記構造、温度分布及び輻射熱の挙動は、サセプタ４の中心について対称であるため、図１３では、サセプタ４の中心から片側（左側）のみを記載し、他の片側(右側)の図示を省略している。

図１３（ａ）に示すように、円筒状のヒーター５から発した輻射熱は円筒の中心部に向かう。ここでは、図３（ａ）に示すような円筒の軸方向に加熱部分が三分割されたヒーターを用いた場合を示しており、このヒーター５の分割に対応して、ヒーター５とサセプタ４との間の空間を基板搭載面と平行に領域分けした場合、ヒーター５から基板搭載面と平行な方向に進む輻射熱の量は上段、中段、下段で同じである。しかし、ヒーター５からの輻射熱は、図１３（ａ）の下図に示すように、ランバーシャン放射するため、中段には上段及び下段の両方からの輻射熱が集熱される。一方、上段及び下段は、それぞれ、その段の輻射熱に対し中段からの輻射熱のみが加わるので、中段に比べ集熱する熱量が少ない。その結果、サセプタ４の側面が受ける熱は、サセプタ４の周辺および中心付近が相対的に少なく、それらの中間が相対的に多くなる。その結果、図１３（ａ）の上図に示すように、基板搭載面では中周部で温度が高い温度分布となる。なお図１３の温度分布は、説明のために誇張したものであり、実際には図１０（ｃ）に示す温度分布に近い分布となる。

これに対し図１３（ｂ）に示すように遮熱板６５を配置した場合には、ヒーター５とサセプタ４との間の空間５５が遮熱板６５によってゾーンに分割されているので、ヒーター５から放射される輻射熱は、上下方向への広がりが抑制されゾーン内に留まり、図１３（ａ）のような中段への集熱は生じない（図１３（ｂ）の下図）。その結果、サセプタ４の側面（底面）はゾーン毎にほぼ同一の受熱量となる。一方、サセプタ４の受熱面は下段に向かうにつれ小さくなるため単位面積当たりの受熱量は下段（サセプタ４底面）に向かうにつれ小さくなるが、基板搭載面までの距離はサセプタ中央部から周辺部に向かって小さくなるので、単位面積当たりの受熱量の増加と距離による熱損失とが相殺され、結果として、図１３（ｂ）の上図に示すように、サセプタ４の基板搭載面に到達する熱量は中央部と周辺部でほぼ均一になる。

遮熱板６５の材料としては、ＢＮ、ＰＢＮ等を用いることができるが、遮熱板６１や遮熱板６３よりもさらに高温にさらされるので、ＰＢＮが好適である。遮熱板６５の厚みは、空間を領域分けする機能及び機械的強度を保つために、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とすることが好ましい。遮熱板６５の枚数は、サセプタ４の径や厚み（基板搭載面から底面までの距離）によっても異なるが、遮熱板６５の枚数が多すぎてその間隔が狭くなるとヒーター５からの熱の利用効率を低下させる可能性があるので、遮熱板間の間隔が下側に配置される遮熱板６１間の間隔以下となるような数を配置することが好ましい。具体的には、１〜８枚程度を２ｍｍ〜数ｍｍの間隔で配置することが好ましい。

遮熱板６５を固定する構造の例を図１４及び図１５に示す。両図において、（ａ）はヒーター及びサセプタを上面から見た図、（ｂ）はヒーターの側面及び遮熱板の上面図、（ｃ）は支持構造を模式的に示す側断面図である。図１４に示す例では、ヒーター５として、図３（ａ）に示す横式発熱体を備えたヒーターを用いており、ヒーター５を構成する各段の発熱体に遮熱板６５を載せた支持構造である。このため遮熱板６５は、ヒーター５とほぼ同じかやや大きい外径を有し、各段の発熱体の接続部に相当する外周の一部を切り欠いた形状を有している。この支持構造では、ヒーター５の発熱体の段数に合わせたゾーン分割ができ、且つ簡易な支持構造である、という利点がある。

図１５に示す例は、ヒーター５として、図３（ｂ）に示す縦式発熱体を備えたヒーターを用いており、ヒーター５の内径とほぼ同じ外径を有する遮熱板６５（複数）を所望の間隔となるように、図示しない連結具で連結した構造である。この連結具は、下側の遮熱板６１を連結する連結具と一体のものでもよいし、それとは独立したものでもよく、直接或いは間接的に反応容器内に固定される。この支持構造は、遮熱板とは別に連結具が必要となるが、ゾーン分割の自由度が高いという利点がある。

本実施形態によれば、ヒーター５とサセプタ４側面との間の空間を複数のゾーンに分割する遮熱板６５を配置したことにより、ゾーンを超えて放射状に広がる輻射熱の移動を抑制し、中央部への集熱を抑制し、サセプタ４０側面の受熱量をゾーン毎にほぼ均等にすることができる。これによりサセプタ側面の面積による受熱量の増加効果（減少効果）と側面から上面までの距離による伝導熱量の減少効果（増加効果）をバランスさせて、基板搭載面において温度分布の均一性を向上することができる。

以上、第七実施形態を、第一実施形態の半導体製造装置に適用した場合を説明したが、本実施形態は、ヒーター５の内側であってサセプタ４との間の空間に、遮熱板６５を配置したことが特徴であり、この特徴を第二〜第五実施形態のサセプタに適用することも可能である。例えば、サセプタの形状は、逆円錐形状のみならず、図５（ｂ）〜（ｅ）に示すような種々の形状を取ることができ、また図６に示すようにサセプタの周辺部の下側にヒーター５を配置した構造を採用することも可能である。

＜第八実施形態＞
本実施形態の半導体製造装置は、上述した第七実施形態の特徴に加えて、サセプタに熱を誘導するための溝を設けたことが特徴であり、基板搭載面の温度均一化のさらなる向上を図るものである。以下、本実施形態を第一実施形態のＭＯＣＶＤ装置に適用した装置を、図１６及び図１７を参照して説明する。

図１６は、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置の全体概要を示す図、図１７（ａ）、（ｂ）は、ヒーター室の上面図および側面図である。図１６及び図１７において、第一及び第七実施形態と同一の要素は同一の符号で示している。

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置も、サセプタ４０は概ね逆円錐形の形状を有し、円錐の底面である面に基板搭載面が形成されるととともに、サセプタ４０の側面を取り囲むように円筒形状のヒーター５が配置されている。サセプタ４０及びヒーター５を囲んで、外部と熱を遮断する遮熱板６１、６３が配置されると共に、サセプタ４０とヒーター５との間に、ドーナツ状の遮熱板６５が備えられている。遮熱板６１、６３、６５の材料、サイズ、枚数及び固定方法等は第七実施形態と同様である。

サセプタ４０は、この遮熱板６５の配置に対応して、側面（底面）から垂直方向に延びる円筒状の溝４１が形成されている。溝４１は、サセプタ４０の側面が受けた熱が基板搭載面に伝達される際に、熱の移動を垂直方向に誘導するために設けられる。サセプタ４０内を伝導する熱も、ヒーター５からの輻射熱と同様に放射状に広がるため、溝がない場合にはサセプタ中心部では周辺部より熱が集まりやすい。溝を設けることにより、遮熱板６５によってゾーン毎に均一化された受熱量をそのまま垂直方向に向かわせ基板搭載面に伝導することができる。このため溝４１は、サセプタ４０の、遮熱板６５の内周端部に対応する位置、正確には、遮熱板６５の板面の延長線がサセプタ４０に当接する位置から、サセプタ上面から所定の深さの位置まで垂直に延びることが好ましい。

溝４１の数、深さ及び幅は、サセプタの強度を考慮して適切な範囲に決めることが好ましく、溝４１の数は遮熱板６５の数と同数かそれより少ない数形成される。図示する例では、サセプタ底面に位置する遮熱板６５から数えて６枚の遮熱板６５が配置され、サセプタの強度を保つために、１枚目と６枚目の遮熱板に対応する位置には溝を設けずに２枚目から５枚目の４枚の遮熱板６５に対応する位置に４つの溝４１を形成している。配置される遮熱板の数が少ない場合には、遮熱板と同数の溝を設けることも可能である。溝４１の深さは、溝を複数形成する場合にはサセプタ上面から溝の底までの距離が一定であることが好ましく、その距離はサセプタの強度を保つことができる範囲であればよく、サセプタの高さ（上面から底面までの厚み）の２０〜３０％程度が好ましい。一例として、図１６に示すような、径６０ｍｍ、逆円錐部の高さ１５ｍｍ、円筒部の高さ２ｍｍのサセプタの場合、サセプタ上面から溝の底部までの距離が３．５ｍｍ程度である。

溝４１は、上述したように、サセプタ４０を垂直に分割することによって、サセプタ４０における熱伝導の方向を垂直方向に制御するものであり、幅が広すぎるとサセプタ４０の熱伝導を阻害する。このような観点から、径６０ｍｍ、高さ１７ｍｍのサセプタの例で、溝４１の幅は好ましくは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、より好ましくは０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とする。

本実施形態によれば、ヒーター５からの輻射熱は、まず遮熱板６５によって分割されたゾーン毎にほぼ均一な熱量がサセプタ４０側面に到達する。サセプタ側面が受けた熱は伝導により上面側に広がるが、この際、サセプタ４０は溝によって分割されたゾーンに対応する垂直な領域に分かれているので、この領域を垂直方向に熱伝導する。熱は溝の底部と基板搭載面との間で放射状に広がり、これにより熱伝導が殆どない溝の底部と熱伝導が行われたサセプタ部分との温度の差が解消されて、最終的にサセプタ４０の上面の基板搭載面では均一な温度分布が得られる。

以上、本実施形態を第一実施形態の装置に適用した場合を説明したが、本実施形態も第七実施形態と同様に、第二〜第五実施形態の装置と組み合わせることが可能である。

以上、本発明をフローチャンネル方式のＭＯＣＶＤ装置に適用した各実施形態を説明したが、本発明はフローチャンネル方式のＭＯＣＶＤ装置に限定されることなく、２フロー方式など種々の方式のＭＯＣＶＤ装置や、その他、ＭＢＥ装置など基板を加熱して基板上に膜形成する半導体製造装置であれば適用することができる。

＜実施例１、２＞
図２に示すサセプタ構造（第一実施形態）を持つＭＯＣＶＤ装置及び図６に示すサセプタ構造（第六実施形態）を持つＭＯＣＶＤ装置を用いて、以下詳述するように、サファイア基板上にＧａＮ層を結晶成長させて、図８に示す積層構造の結晶膜を形成した（実施例１、実施例２）。実施例１は、サセプタとして、基板搭載面の直径が６０ｍｍ、基板を載置する凹部の直径が５４ｍｍ、リム部の高さが２ｍｍ、円錐部の底面の直径が基板搭載面と同じで、高さが１５ｍｍである円錐形状のサセプタを用いた。実施例２は、サセプタとして、基板搭載面の直径が６０ｍｍ、基板を載置する凹部の直径が５４ｍｍ、リム部の高さが１ｍｍ、円錐部の底面の直径が５４ｍｍで高さが１３ｍｍのサセプタを用いた。

基板は、ｍ軸方向に０．５°オフのｃ面サファイア（α−アルミナ）の単結晶基板（２インチ＝５０．８ｍｍ）を用い、有機金属材料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、水素化物材料としてＮＨ_３を用いた。また反応開始から結晶成長まで、材料ガスの運搬ガス（キャリアガス）として、水素ガスを材料ガスと併せた流量が８Ｌ/分となるように材料ガス供給管２１から流した。またパージガスとして、水素ガス：窒素ガス＝１：１の混合ガスをパージガス供給管１１、１２から流量８Ｌ／分流した。

まず、材料ガス供給管２２から、水素ガスと窒素ガスとを１：１に混合したガスを流量２６Ｌ／分で供給し、サセプタ温度を１０００℃、反応室内の圧力を１００ｋＰａにしてサファイア基板を１０分間アニールした。

次いでサセプタ温度を５５０℃に下げて、圧力は同じ１００ｋＰａに保ち、材料ガス供給管２２からＴＭＧを３０μｍｏｌ／分、ＮＨ_３を４Ｌ／分供給し、サファイア基板上に低温ＧａＮ層を２０ｎｍ形成した。次にサセプタ温度を１０５０℃に上げて、圧力は同じ１００ｋＰａに保ち、低温ＧａＮ層を７分間アニールした。

その後、サセプタ温度を１０３０℃にし、圧力は同じ１００ｋＰａに保ち、材料ガス供給管２２からＴＭＧを４５μｍｏｌ／分、ＮＨ_３を４Ｌ／分供給し、低温ＧａＮ層の上に高温ＧａＮ層を１時間成長した。生成した高温ＧａＮ層の平均膜厚は、実施例１では、４．５０μｍ、実施例２では、４．４９μｍであった。

＜比較例＞
比較例として、図７に示すサセプタ構造のＭＯＣＶＤ装置を用いて実施例１、２と同じ条件でサファイア基板上にＧａＮ層を結晶成長させた。図７に示す装置は、実施例１、２と同じ基板搭載面及び凹部の径を持つ平板状のサセプタ（厚さ５ｍｍ）を採用するとともに、サセプタの裏面側にヒーターを配置した構造であり、ヒーターの発熱面積は、実施例１及び２のヒーターの発熱面積と同じである。またサセプタ及びヒーターを除く構成は、実施例１、２のＭＯＣＶＤ装置と同様である。生成した高温ＧａＮ層の平均膜厚は、４．４５μｍであった。

実施例及び比較例の装置について、サセプタ温度及び生成した高温ＧａＮ膜の膜厚Ｔ１〜Ｔ３を測定した。サセプタ温度の測定は、パイロメータを用いて、図９に示すように中心Ｐ３と、中心からそれぞれ１２．５ｍｍ、２５ｍｍ離れた２点Ｐ２、Ｐ１との合計３点で行った。その結果を表１に示す。

また温度測定を行った３点における高温ＧａＮ層の膜厚Ｔ１〜Ｔ３を測定した。膜厚の測定は、サファイア基板の屈折率（１．７）とＧａＮ結晶の屈折率（２．４）との相違を利用して、白色光源を用いた反射干渉計を用いて行った。その結果を表２に示す。

表１及び表２に示す結果からわかるように、比較例の装置ではサセプタ中心付近の温度が上がり、大きな温度分布が生じていた。このため生成された高温ＧａＮ層の膜厚にも大きなバラツキを生じた。これに対し、実施例１、２の装置ではサセプタ温度のバラツキは、それぞれ、１３℃、１６℃であり、比較例のばらつき２９℃に比べ大幅に改善したことが確認された。また結晶の膜厚についても、比較例のバラツキが１９．８％であったのに対し、実施例１で６．８９％、実施例２で８．４６％であり、膜厚分布の改善が認められた。

本発明によれば、結晶膜厚のバラツキを抑制し、効率のよい結晶成長を行うことが可能な半導体製造装置が提供される。これによりＬＥＤデバイスの品質及び歩留まりを向上させることができる。

１・・・反応容器、２・・・ガス供給管、２１・・・第１ガス供給管、２２・・・第２ガス供給管、３・・・フローチャンネル、４、４０・・・サセプタ、５・・・ヒーター、６・・・遮熱板、７・・・回転機構、８・・・隔壁、９・・・基板、１０（１１、１２）・・・パージガス供給管、１３・・・排気管、・・・サセプタ、４１・・・溝、５５・・・空間（サセプタとヒーターとの間の空間）、６１、６３、６５・・・遮熱板。

Claims (14)

1. 反応室と、前記反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、前記サセプタを側面から加熱する加熱手段とを備えた半導体製造装置であって、
   前記サセプタは、前記基板を搭載する面（基板搭載面）と垂直な方向の厚みが、前記基板搭載面の中心部から周辺部に向かって薄くなる形状を有することを特徴とする半導体製造装置。
2. 請求項１に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段は円筒形状を有し、円筒の軸方向の長さが前記サセプタの最大厚み以上であることを特徴とする半導体製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置において、
   前記サセプタは、前記基板搭載面の中心を通り、前記基板搭載面に垂直な断面の形状が三角形であることを特徴とする半導体製造装置。
4. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置において、
   前記サセプタは、前記基板搭載面と反対側の面を裏面とするとき、前記基板搭載面の中心を通り、前記基板搭載面に垂直な断面において、前記裏面の中心とサセプタ周辺側端部とを結ぶ辺が曲線であることを特徴とする半導体製造装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段は円筒形状を有し、前記サセプタの側面の外側に配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段は円筒形状を有し、少なくとも一端の径が前記サセプタの径以下であって、前記サセプタ周辺部の裏面側に近接して配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段は円筒形状を有し、内面の面積が前記サセプタの基板搭載面の面積と実質的に等しいことを特徴とする半導体製造装置。
8. 請求項２に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段は径が一定であることを特徴とする半導体製造装置。
9. 請求項１に記載の半導体製造装置において、
   前記加熱手段と前記サセプタとの間に、前記基板搭載面と平行して、１ないし複数の遮熱板を配置したことを特徴とする半導体製造装置。
10. 請求項１に記載の半導体製造装置において、
    前記サセプタの裏面であって、前記基板搭載面からの厚みが最大である部分を底部としたとき、前記遮熱板は前記底部と前記基板搭載面との間に配置されることを特徴とする半導体製造装置。
11. 請求項９又は１０に記載の半導体製造装置であって、
    前記サセプタの底部から外側に、複数の第二遮熱板を備え、
    前記加熱手段と前記サセプタとの間に配置された複数の遮熱板の間隔は、前記複数の第二遮熱板の間隔より広いことを特徴とする半導体製造装置。
12. 請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
    前記サセプタは、前記基板搭載面と垂直な方向に、１ないし複数の溝が形成されていることを特徴とする半導体製造装置。
13. 請求項１２に記載の半導体製造装置であって、
    前記サセプタの溝は、前記加熱手段と前記サセプタとの間に配置された遮熱板の板面の延長線が当接する位置から、前記基板搭載面と垂直な方向に伸びて形成されていることを特徴とする半導体製造装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の半導体製造装置であって、
    前記サセプタの溝は円筒状であることを特徴とする半導体製造装置。
    
    

Images