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HEAT TREATMENT APPARATUS FOR SiC SEMICONDUCTOR WAFER achieved

Patent code P130009745
File No. KG0096-JP01
Posted date Aug 5, 2013
Application number P2010-164010
Publication number P2012-028446A
Patent number P5561676
Date of filing Jul 21, 2010
Date of publication of application Feb 9, 2012
Date of registration Jun 20, 2014
Inventor
  • (In Japanese)金子 忠昭
  • (In Japanese)山本 高稔
  • (In Japanese)砂田 英範
  • (In Japanese)平島 等
Applicant
  • (In Japanese)学校法人関西学院
Title HEAT TREATMENT APPARATUS FOR SiC SEMICONDUCTOR WAFER achieved
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat treatment apparatus for an SiC semiconductor wafer which can produce a graphene or SiC semiconductor wafer by controlling the heat treatment atmosphere of a target article freely under Si vapor pressure or vacuum. SOLUTION: The heat treatment apparatus for an SiC semiconductor wafer comprises a main heating chamber 21, a heating device 33, and a configuration capable of adjusting the pressure of Si in a crucible 2 by adjusting the degree of sealing of the crucible 2. Into the main heating chamber 21, the crucible 2 containing a substrate is introduced. The heating device 33 can heat the substrate to temperatures of 900-2400°C, can make the temperature uniform at a cross section of the space in the main heating chamber 21 in a plane parallel with the surface of the substrate, and can vary or make uniform the temperature in the direction perpendicular to the surface of the substrate.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)等を行うための結晶成長炉や化学反応炉と呼ばれる熱処理装置において、真空雰囲気又はガス雰囲気を高温状態に維持する加熱室と、当該加熱室内で被処理物を加熱するための加熱手段とを備え、この加熱室に配置された被処理物に対して熱処理を行う構成のものが知られている。

例えば特許文献1は、この種の熱処理装置において、本加熱室と予備加熱室を備え、先ず予備加熱室で予備加熱処理を行った後、予備加熱室から本加熱室へ被処理物を移動させることで本加熱処理を行う構成を開示する。特許文献2~5においても、同様の構成を有する熱処理装置が開示されている。

特許文献6は気相エピタキシャル成長法を開示し、特許文献7及び文献8は気相エッチング基板表面改質平坦化を開示し、特許文献9には熱処理装置において本加熱室の真下に予備加熱室を備え、加熱ヒータを本加熱室にのみ備える構成の熱処理装置が開示されている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、主要には、高真空且つ高温に維持した雰囲気、又は不活性ガスを若干含む高温雰囲気を形成し、この雰囲気下において、結晶成長、化学反応又は成膜等の化学変化及び物理変化を被処理物に生じさせるための熱処理装置の構成に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
単結晶SiC基板又は少なくとも一側の表面が単結晶SiCで被覆された基板の熱処理を行うSiC半導体ウエーハ熱処理装置において、
前記基板が収容された坩堝が導入される本加熱室と、
前記基板を900℃以上2400℃以下の温度に加熱可能であり、前記本加熱室内の空間を前記基板の表面に平行な面で切断した断面の温度を一様にすることができ、前記基板の表面に垂直な方向で温度を異ならせたり均一にしたりすることができる加熱装置と、
前記本加熱室において、前記坩堝内のSiの圧力を調整可能な調整手段と、
前記坩堝を前記本加熱室へ移動させる移動機構と、
を備え
前記坩堝内には、固体状のSiが配置され、
前記調整手段は、前記移動機構が前記坩堝の位置を変化させて当該坩堝の密閉度合を変化させることにより、前記本加熱室から前記坩堝を取り出すことなく当該坩堝内のSiの圧力を変化させることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項2】
 
請求項1に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記坩堝が前記本加熱室に位置している状態において、前記本加熱室に隙間を生じさせることなく当該坩堝内のSiの圧力を調整可能であることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項3】
 
請求項1又は2に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記坩堝の材料は、タンタルカーバイド処理を施したタンタルにより構成されており、タンタルカーバイド材料は、炭素分子を吸着するゲッター作用を有することを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項4】
 
請求項1から3までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記坩堝を載せるための受け台を備え、
前記受け台は、タングステンカーバイド、タングステン、モリブデン、タンタル、タンタルカーバイド、タンタルカーバイドをコーティングしたグラファイト及びタンタルカーバイド処理を施したタンタルのうち少なくとも何れかであることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項5】
 
請求項1から3までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記加熱装置は、
前記基板の周囲を囲むように配置される複数の加熱ヒータと、
それぞれの前記加熱ヒータを支持するヒータ支持部と、
を備え、
それぞれの前記加熱ヒータは、位置が対応する前記ヒータ支持部とともに一体的に取外し可能であることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項6】
 
請求項5に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記加熱ヒータ及び前記ヒータ支持部の構成は、3の倍数の多角形状に分割した構成の各辺の矩形のブロックを組み合わせた構成とし、3相交流電源負荷に均等に対応した前記加熱ヒータの構成を合理化したことを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項7】
 
請求項5に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記加熱ヒータに電流を流すための電源として、単相交流電源又は直流電源を用い、
前記加熱ヒータ及び前記ヒータ支持部は、多角形状に配置されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項8】
 
請求項5又は6に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記本加熱室は、前記坩堝を1rpm以上で回転させる坩堝回転機構を備えることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項9】
 
請求項5から8までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記加熱装置は、前記基板の表面に垂直な方向に複数の前記加熱ヒータを備え、
これらの複数の前記加熱ヒータに発生させる熱を個別に制御可能なことを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項10】
 
請求項5から9までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記ヒータ支持部同士が弾性部材を介して接続されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項11】
 
請求項5から10までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記加熱ヒータは、タングステンカーバイド、タングステン、モリブデン、タンタル、タンタルカーバイド、タンタルカーバイドをコーティングしたグラファイト及びタンタルカーバイド処理を施したタンタルのうち少なくとも何れかであることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項12】
 
請求項1から11までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記本加熱室は、前記加熱装置による熱を前記基板に向けて反射するように配置され、複数枚の熱反射金属板で構成される多層熱反射金属板を備えることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項13】
 
請求項12に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記熱反射金属板同士の間又は、前記多層熱反射金属板の外側に配置される複数の温度検出部を備え、
前記加熱装置は、前記温度検出部の検出結果に基づいて制御されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項14】
 
請求項12又は13に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記本加熱室に隣接する予備加熱室と、
前記坩堝とともに移動可能であり、前記多層熱反射金属板の積層枚数よりも少ない枚数で構成される第2多層熱反射金属板と、
を備え、
前記坩堝が前記予備加熱室内にあるときには、前記第2多層熱反射金属板が前記本加熱室と前記予備加熱室とを隔てるように位置し、前記加熱装置から発生する熱の一部が前記第2多層熱反射金属板を介して前記予備加熱室に供給されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項15】
 
請求項14に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記坩堝とともに移動可能であり、前記坩堝が前記本加熱室内にあるときに当該本加熱室と前記予備加熱室とを隔てるように位置する第3多層熱反射金属板と、
前記坩堝とともに移動可能であり、前記坩堝が前記本加熱室内にあるときに前記予備加熱室と外部とを隔てるように位置する第4多層熱反射金属板と、
を備え、
前記第3多層熱反射金属板及び前記第4多層熱反射金属板は、複数の貫通孔を有する熱反射金属板を、当該貫通孔の位置を異ならせながら積層して構成されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項16】
 
請求項15に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
本加熱室は、前記第4多層熱反射金属板の外側に、コールドトラップとしての水又は液体窒素を用いた冷却装置を備えることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項17】
 
請求項14又は15に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記予備加熱室に隣接する第1断熱室と、
前記第1断熱室に隣接する第2断熱室と、
前記坩堝とともに移動可能であり、複数の貫通孔を有する熱反射金属板を、当該貫通孔の位置を異ならせながら積層して構成され、前記坩堝が前記予備加熱室内にあるときに前記第2断熱室と外部とを隔てるように位置する第5多層熱反射金属板と、
前記第5多層熱反射金属板の外側に配置され、コールドトラップとしての水又は液体窒素を用いた冷却装置と、
を備えることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項18】
 
請求項12から17までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記熱反射金属板は、タングステンカーバイド、タングステン、モリブデン、タンタル、タングステンカーバイド、タンタルカーバイドをコーティングしたグラファイト及びタンタルカーバイド処理を施したタンタルのうち少なくとも何れかであることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項19】
 
請求項1から18までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記本加熱室は、10-2Pa以下の圧力にすることが可能に構成されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項20】
 
請求項1から18までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記本加熱室は、10-2Pa以下の圧力に到達した後に、不活性ガスを導入した10Pa以下の圧力にすることが可能に構成されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項21】
 
請求項1から20までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記基板又は前記坩堝に付着している酸素及び水を除去可能であるグローブボックスと、
前記グローブボックス内に配置される露点計と、
を備え、
前記露点計の検出結果に基づいて不活性ガスを注入することによりガス消費量を抑えることが可能であることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項22】
 
請求項1から21までの何れか一項に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記基板が収容された前記坩堝を前記本加熱室に導入し、前記調整手段により前記坩堝内の雰囲気をSi蒸気圧にして、1500℃以上2400℃以下の温度に加熱することにより、前記基板に気相エッチングを行って当該基板の表面を分子レベルに平坦化する平坦化工程と、
前記坩堝の温度を900℃以上2400℃以下に保持しながら前記調整手段により前記坩堝内の雰囲気を真空にして、前記基板を900℃以上2400℃以下の温度で加熱することにより、Si原子が基板全面にわたり短時間に同時に昇華してC原子同士が斉一に再配置できることにより、分子レベルに均一なグラフェン分子を形成させて、基板に対してグラフェン層を全面に均一に形成させるグラフェン層形成工程と、
を実現可能であることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項23】
 
請求項22に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
当該SiC半導体ウエーハ熱処理装置が実現可能な工程は、前記平坦化工程の前に行われる、前記基板の表面上に隙間を有するように多結晶SiC基板を配置し、前記調整手段により前記坩堝内の雰囲気をSi蒸気圧にして、1500℃以上2400℃以下の温度に加熱することにより、基板の表面に気相エピタキシャル層を成長させて基板表面の結晶欠陥を修復する欠陥修復工程を含み、
前記グラフェン層形成工程では、前記気相エピタキシャル層の表面にグラフェン層を分子レベルに均一に形成させることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項24】
 
請求項23に記載のSiC半導体ウエーハ熱処理装置であって、
前記平坦化工程の前に、前記基板にイオン注入が行われ、
前記グラフェン層形成工程では、グラフェン層が形成された後に加熱処理を続行することでイオン活性化アニールが行われ、
前記グラフェン層形成工程の後に、前記調整手段により前記坩堝内の雰囲気をSi蒸気圧にして、前記基板を温度範囲が1500℃以上2400℃以下のSi蒸気圧下で加熱することで前記グラフェン層を除去するグラフェン層除去工程が行われることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。

【請求項25】
 
単結晶SiC基板又は少なくとも一側の表面が単結晶SiCで被覆された基板の熱処理を行うSiC半導体ウエーハ熱処理装置において、
前記基板が導入される2つの本加熱室と、
前記基板を900℃以上2400℃以下の温度に加熱可能であり、それぞれの前記本加熱室内の空間を前記基板の表面に平行な面で切断した断面の温度を一様にすることができ、前記基板の表面に垂直な方向で温度を異ならせることができる2つの加熱装置と、
2つの前記本加熱室間で前記基板を行き来させることができる搬送装置と、
を備え
一方の前記本加熱室における基板の周囲の雰囲気をSi蒸気圧にし、
他方の前記本加熱室における基板の周囲の雰囲気を真空にし、
前記一方の前記本加熱室において、
前記本加熱室の外部に、予備加熱室、断熱室、及び第2断熱室を備え、前記基板を前記本加熱室に位置したときに各室を仕切るように配置される複数の多層熱反射金属板を備え、
加熱ヒータと多層熱反射金属板の材質に、炭素分子を吸着するゲッター作用を有する、タンタルカーバイド処理を施したタンタル材を用い、前記多層熱反射金属板には貫通孔が形成されておらず、
前記他方の前記本加熱室において、
当該本加熱室の外部に予備加熱室を備え、前記基板が前記本加熱室に位置したときに各室を仕切るように配置される複数の多層熱反射金属板を備え、前記多層熱反射金属板には複数の貫通孔が形成されることにより、前記本加熱室内を真空に保つことが可能に構成されることを特徴とするSiC半導体ウエーハ熱処理装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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