JPS62205619A - 半導体の加熱方法及びその方法に使用されるサセプタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体プロセスにおける半導体ウェハの加熱
処理に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体プロセス、例えばエピタキシャル成長プロ
セス等における半導体ウェハの加熱方式は、赤外線輻射
加熱と高周波誘導加熱が大勢を占めている。

赤外線輻射加熱は、半導体ウェハの加熱のみならず１反
応容器等も同時に加熱する通称ホットウォール型式の代
表的な加熱方式であり、このホットウォール型式は、反
応容器外部への熱放射を防１にするリフレクタ、及びそ
のリフレクタの冷却手段等を必要とする欠点がある。

高周波誘導加熱は、半導体ウェハを支持するサセプタが
高周波によって誘導加熱され、その加熱されたサセプタ
から伝導及び輻射によって、半導体ウェハを加熱するも
ので、この加熱方式は、反応容器等を加熱しない、通称
コールドウオール型式の代表的な加熱方式である。

第７図は、従来の高周波誘導加熱による水平型エビキシ
ャル成長装置の一例を示す。

処理雰囲気を外気から遮断する石英管（Ａ）の中に、処
理を要する半導体ウェハ（Ｂ）が、サセプタ（Ｃ）に支
持されて設けられ、該石英管（Ａ）の外側には１石英管
（Ａ）の軸線と同軸に、コイル（Ｄ）が巻回されている
。

サセプタ（Ｃ）は、シリコンカーバイトによって表面を
コーティングした炭素よりなる導電材で。

このサセプタ（Ｃ）が、コイル（Ｄ）によって発生され
る高周波磁界により誘導加熱され、それによって発生し
た熱を、伝導及び輻射により、半導体ウェハ（Ｂ）に伝
えて、半導体ウェハ（Ｂ）を加熱するようになっている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

半導体プロセスで使用される半導体加熱装置は、５００
〜１２００℃の高温を発生し、かつ、その高温を長時間
に亘って恒温持続することが要求されるため、非常に大
きな電力を必要とする。

この点、前記の高周波誘導加熱によると、コールドウオ
ールの加熱を容易に行いうるが１反面、エネルギー変換
効率が非常に悪く、消費電力のｌＯ％程度しか、加熱に
要する熱−μに変換されていない。

この高周波誘導加熱方式において、サセプタ（Ｃ）に発
生する熱エネルギーは、周知の如く、サセプタ（Ｃ）に
かかる磁界の強さ、その磁界の方向が変化する周波数、
サセプタ（Ｃ）の比抵抗、及びコイル（Ｄ）の磁路の透
磁率等を主な要素とした関数として表わされ、発生熱エ
ネルギーを増大させるには、サセプタの比抵抗を小さく
するか、磁路の透＆＆率を上げることにより、消費電力
から発生エネルギーへの変換効率を上げる方法の他、磁
界を強くするか、交番磁界の周波数を上げる方法がある
。

しかし、これらの要素のうち、導電性のサセプタ（Ｃ）
として使用しつる材料としては、従来の炭素等以外の材
料では、大幅な低抵抗性は望めないため、サセプタ（Ｃ
）の比抵抗を小さくすることはできない。

また、透磁率も、コイル（Ｄ）が空心であるため、真空
の透磁率で限定されており、これらの要素をもって、熱
エネルギー発生の増大を計るには、磁界の強さを大きく
し、かつ、周波数を高くするしか、従来の高周波誘導加
熱方式においては対策がないのが現状である。

しかし、この電力は、第（７）図に示すように、通常の
商用交流電源（Ｅ）から供給され、その際に、周波数変
換器（Ｆ）、インピーダンス変換器（Ｇ）等の変換手段
を介してコイル（Ｄ）に供給されており。

サセプタ（Ｃ）にかかる磁界の強さは、コイル（Ｄ）に
流れる電流によってほぼ決まる。

しかし、この電流は非常に大きいため、コイル抵抗によ
る損失が大きく、そのため、コイル自体を水冷する等し
なければならず、磁界の強さの増大には限界がある。

また、大電力用の周波数変換器（Ｆ）に用いられるスイ
ッチング素子等の周波数特性、及び制御電力等に限界が
あり、周波数と制御電力の両方を大幅に増大することも
望めない。

さらに、インピーダンス変換器（Ｇ）ついても、コイル
電流が多大であるため銅損が大きく、変換効率が低い。

最近は、半導体ウェハは、従来の７．６〜１２．７ａｎ
（３〜５インチ）から１５．２〜２０．３ａｍ　（６〜
８インチ）のものに変りつつあり、この点からも、発生
熱エネルギーの増大のための熱処理炉の改善が望まれて
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、これらの問題点を解決するために、熱処理装
置の所要処理雰囲気に対して不活性な材料で隔離された
低抵抗強磁性体に交番磁界をかけ。

当該低抵抗磁性体を発熱させて、その熱により、半導体
を加熱処理することを特徴としている。

（作用） 従来のサセプタに使用されている炭素より電気抵抗が低
く、シかも透磁率の高い強磁性体に、交番磁界をかける
ので、コイルに流れる電流及び周波数が従来と同じであ
っても、低抵抗強磁性体を通る交番磁束が多くなり、そ
の磁性体での発生熱量が増加するので、エネルギーの変
換効率が高くなる。

また、同時に該磁性体は、処理雰囲気に対して不活性な
材料で処理雰囲気から隔離されているので、半導体に悪
影響を及ぼすことはない。

〔実　施　例〕

第１図は、本発明に係る加熱方法の第１実施例を説明す
るためのもので、（１）は、処理雰囲気を外気から遮断
する石英管、（２）は、平板状の低抵抗強磁性体（２８
）の表面を、処理雰囲気に対して不活性な不活性材料（
２ｂ）で被覆したサセプタ、（３）は、半導体ウェハ、
（４）は、コイルの巻回面をサセプタ（２）の板面と平
行させて石英管（１）の外側に設けたコイル、（５）は
、整合回路（６）を通してコイル（４）に電力を供給す
る高周波電源である。

この第１実施例においては、コイル（４）の磁路中に、
サセプタ（２）の低抵抗強磁性体（２ａ）が介在するた
め、コイル（４）に発生した磁束は、高効率にサセプタ
（２）内を通り、その磁束は、サセプタ（２）の低抵抗
強磁性体（２ａ）の中で渦電流を発生して、当該サセプ
タ（２）を加熱する。

第２図は、本発明方法の第２の実施例を説明するためも
ので、　（１１）は石英管、　（１２）は、第１実施例
と同様の低抵抗強磁性体（１２ａ）の表面を不活性材料
（＋２ｂ）で被覆したサセプタ、（１３）は半導体ウェ
ハ、（１４）は、高抵抗磁性材のヨーク（１４ａ）にコ
イル（１４ｂ）を巻回したコイル装置、　（１５）は高
周波電源である。

ヨーク（１４ａ）は、その空隙部がサセプタ（１２）の
低抵抗強磁性体（１２ａ）によって、磁路を短絡される
ように設けられる。

サセプタ（１２）にかかる磁界の強さは、ヨーク（＋４
ａ）と低抵抗強磁性体（１２ａ　）によって形成された
磁路の実効的透磁率に応じて増大され、かつ、ヨーク（
１４ａ）を通る磁束の大部分は低抵抗強磁性体（＋２８
）の中を通って熱の発生に寄与する。

ヨーク（１４ａ）中にも、はぼ同等の磁束が通るが、当
該ヨーク（１４ａ）は、フェライト等の高抵抗強磁性体
であるため、渦電流の発生が極く少なく、大きな損失と
なるような発熱は生じない。

上記第１及び第２の実施例においては、コイルのりアク
タンスが増大するため、周波数変換器。

もしくは、周波数発振器とのインピーダンス整合が容易
となり、特に第２の実施例においては、コイル装置（１
４）自体をインバータ等の周波数発振器として構成する
こともできる。

また、コイル装置（１４）のインピーダンスが大きくな
ることにより、電力供給の電流依存度が少なくなるため
、コイルの直流抵抗分による銅損を減少し、変換効率を
高めることができる。

第３図は、本発明方法の第３の実施例を説明するための
もので、この実施例は、シリンダ型又はバレル型と称さ
れる反応炉におけるものである。

（２１ａ）　（２１ｂ）は、内側の石英管と外側の石英
管、（２２）は、正８角形のバレル型のサセプタ、（２
２ａ）は、低抵抗強磁性体よりなるバレル構造体、（２
２ｂ）は、バレル構造体（２２ａ）の表裏両面に被覆さ
れた不活性材、（２３）は半導体ウェハ、（２４）は移
動磁界発生用ロータ、（２５）は、ロータ（２４）の回
転軸である。

ロータ（２４）は、サセプタ（２２）の内面に、石英管
内壁（２２ａ）を挾んで接近し、かつ、Ｓ−Ｎ極を交互
にして、当該ロータ（２４）の周面に多数配列した永久
磁石（２４ａ）を、回転させるものである。

ロータ（２４）は１図示を省略したモータによって回転
させられる。

ロータ（２４）が回転されると、サセプタ（２２）の低
抵抗強磁性体（２２ａ）には、Ｓ−Ｎ交互に変化する移
動磁界がかかり、その磁束によって、低抵抗強磁性体（
２２ａ）に渦電流を生じて発熱する。

ロータ（２４）を回転するモータは、交流ｔｔ源から非
常に高い効率で回転運動を生じ、この回転運動は、永久
磁石（２４ａ）の移動によって、電気的、１）ρびに機
械的損失を殆んど生じることなく、サセプタ（２２）に
交番磁界をかけ、これによって、従来では得られない高
い効率のエネルギー変換が行なえる。

なお、第３の実施例では、サセプタ（２２）の低抵抗強
磁性体（２２ａ）の部分を、非磁性の導電体。

例えば炭素等としたときにも、同様に発熱する。

以上は、サセプタ（２）（１２）　（２２）にかける交
番磁界の発生手段の異なる実施例を示したものであるが
、次に、本発明方法に使用されるサセプタの具体的構造
の実施例を説明する。

第４図は、サセプタ（３２）の中心部を、鉄、ニッケル
、コバルト、及びそれらの合金のいずれかによる低抵抗
強磁性体（３２ａ）で構成し、その表面全面に、所要化
学処理雰囲気に対して不活性な金属。

例えば、ニッケル（３２ｂ）等を、適度な膜厚でメッキ
したものである。

第５図のサセプタ（４２）は、第４図と同様の低抵抗強
磁性体（４２ａ）を、ステンレスの薄板材（４２ｂ）で
包囲し、その薄板材の周辺部（４２ｃ）を密着溶接した
ものである。

第６図のサセプタ（５２）は、第４図と同様の低抵抗強
磁性体（５２ａ）を１石英等の不活性な容器（５２ｂ）
に入れたもので、この容器（５２ｂ）が石英の場合は、
容器（５２ｂ）上に支持される半導体ウェハの加熱を、
輻射によって行なうことができる。

本発明に係る各サセプタ（２）（１２）・・は、低抵抗
強磁性体の発熱によるものであり、強磁性体は、加熱ｉ
’ｆＪ度がキューリ点に至ると、急激に透磁率が低下す
る性質がある。

従って、本発明の誘導加熱においては５発％Ｆ７は、透
磁率に相応するので、キューリ点より、低い温度での発
熱量とキューリ意思」−の温度での発熱歌低下とが平衡
すると、サセプタの温度はほぼキューリ点で安定するこ
とになる。即ち、低抵抗強磁性体のキューリ点を、所要
熱処理温度に対応させて、選択することにより、熱処理
の恒温制御が行なえる。

〔発明の効果〕

以上の如く５本発明によれば、コイルに流す電流及び周
波数を増大することなく、従来よりも大きな熱敏を発生
することができ、そのため、消費電力対加熱熱蔵の変換
効率が高くなる。

また、コイルによる交番磁界の発生では、コイルのイン
ピーダンスが高くなって１周波数変換器、もしくは高周
波発振器等とのインピーダンス整合が容易となり、場合
によってはインピーダンス整合器が省略されて、そのイ
ンピーダンス整合滞の損失分が減少するため、変換効率
が、さらに向上する。

さらに、サセプタの低抵抗強磁性体のキューリ点をもっ
て恒温度制御を可能とするなど、従来の高周波誘導加熱
方式では得られない多大の効果を１：）ることができる
。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示すもので、 第１図は、本発明方法の第１実施例を説明する。　妙 ためのもので、横型エヒタキャル成長装置の縦断側面模
式図、 第２図は、本発明方法の第２実施例を説明するためのも
ので、横型エピタキシャル成長装置の縦断正面模式図。 第３図は、本発明方法の第３実施例を示すためのもので
、バレル型エピタキシャル成長装置の横断平面模式図、 第４図乃至第６図は、それぞれ、本発明に係るサセプタ
の異なる各実施例を示す断面図、第７図は、従来の高周
波誘導加熱方式の横型でエピタキシャル成長装置の縦断
側面模式図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体を高温に加熱する熱処理装置において、熱
   処理装置の所要処理雰囲気に対して不活性な材料で隔離
   された低抵抗強磁性体に交番磁界をかけ、当該低抵抗磁
   性体を発熱させて、半導体を加熱処理することを特徴と
   する半導体熱処理装置における半導体の加熱方法。
2. （２）半導体を高温に加熱する熱処理装置において、該
   熱処理装置の所要処理雰囲気に対して不活性に半導体を
   支持するサセプタを、当該処理装置の処理雰囲気に対し
   て不活性な材料と、該材料によって処理雰囲気から隔離
   された低抵抗強磁性体とから構成したことを特徴とする
   半導体熱処理装置におけるサセプタ。
3. （３）低抵抗強磁性体のキューリ点を、半導体の加熱温
   度に応じて定めてなる特許請求の範囲第（２）項に記載
   の半導体熱処理装置におけるサセプタ。