CN100355028C - 气相生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气相生长装置，至少备有：可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳部、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳部加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，来在前述晶片的表面上形成生长膜，在前述晶片收纳部由单一的原材料或者部件构成的情况下，从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片的表面的热传递路径中的热阻R₁与从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片收纳体的表面的热传递路径中的热阻R₂之比R₂/R₁为0.4以上、1.0以下。

Description

气相生长装置

技术领域

本发明涉及用于通过一边加热晶片一边在高温状态下供给原料气体来在晶片的表面上气相生长出化合物半导体等的薄膜的气相生长装置，特别是涉及用于配置晶片的晶片收纳体的材质的特性。

背景技术

现在，气相生长法在产业界的各种领域得到利用。在气相生长中，使在晶片上生长的薄膜的膜厚、组成以及掺杂浓度在面内全区域的高度均匀化，这很显然是必须的项目。这样，作为面内全区域的均匀化的实现方法，晶片加热的均热化就成了最重要的关键技术。

图1是表示一般的气相生长装置的构成例的剖视图。如图1所示，气相生长装置100包括：反应炉1、配置晶片2的晶片保持器3、载置晶片保持器3的衬托器4、设置在衬托器4的下侧的加热器5、旋转自如地支承晶片保持器3以及衬托器4的旋转机构6、供给原料气体和载气的气体导入管7、排出未反应气体的气体排出管8等。

图2是表示晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)为俯视图，(b)为A-A线剖视图。晶片保持器3构成为，在其一个面上，在同一圆周上形成有多个(图2中为6个)用于配置晶片2的圆形凹坑3a，在相反面上则与衬托器4接触。

又，衬托器4由热传导率较高的材质(例如钼等)构成，以均匀地传递来自加热器5的热量。另外，对于晶片保持器3，一般也使用热传导率较高的石墨或钼等。

在上述构成的气相生长装置中，通过用加热器5从衬托器4的下侧进行加热而经由衬托器4、晶片保持器3将热量传递至晶片2，并使晶片2上升到规定的温度。另外，通过旋转机构6使衬托器4以规定的转速旋转，由此一边将从气体导入管7导入的原料气体和载气均等地供给到晶片2的表面上，一边进行薄膜的气相生长。

但是，通过本发明的发明人的实验可知，在上述那样的气相生长装置100中，由于晶片2的表面温度比晶片保持器3的表面温度低，从而导致晶片2的周缘部分受到晶片保持器3的温度的影响而比晶片2的中央部分温度高。即，在以往的气相生长装置100中，晶片2的面内温度分布不均匀，所以要气相生长出在晶片2的面内全区域中均匀性优良的薄膜是困难的。

本发明为解决上述问题而提出，目的在于提供一种可以气相生长出在晶片的面内全区域中具有良好的均匀性的薄膜的气相生长装置。

发明内容

本发明的气相生长装置至少备有：可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，其中，前述晶片收纳体由单一的原材料或者部件构成；从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片的表面的热传递路径中的热阻R₁与从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片收纳体的表面的热传递路径中的热阻R₂之比R₂/R₁为0.4以上、1.0以下。

这里，通过图3所示的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图，从晶片收纳体3的内面朝向晶片2的表面的热传递路径中的热阻R₁是将晶片保持器3部分的热阻R_1c、晶片保持器3和晶片2的接触热阻R_1g、晶片2部分的热阻R_1w相加而得到的热阻，从晶片收纳体3的内面朝向表面的热传递路径中的热阻R₂是晶片保持器3部分的热阻R_2c。

由此，在热量从晶片收纳体的内面向晶片的表面以及晶片收纳体的表面传递时，在各自的热传递路径中的热阻大致相等，所以可以进行同样的热传导，使晶片表面以及晶片收纳体表面的到达温度相同。因此，可以避免由于晶片的表面温度和晶片收纳体的表面温度存在差异而导致的晶片周缘部的表面温度比晶片中央部的表面温度上升的问题，可以均匀地保持晶片的面内温度分布。其结果，可以气相生长出在晶片的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。

具体地说，希望用具有与配置在晶片收纳体上的晶片的热传导率接近的热传导率的材质形成前述晶片收纳体。虽没有作特殊地限定，但只要是具有不污染薄膜生长和反应器内的气氛的特性，则可采用各种材料制作晶片收纳体。例如，无定形碳(热传导率10W/m·K)或氮化铝(热传导率40～50W/m·K)等的热传导率比以往的石墨(热传导率100W/m·Kat 600℃)更接近于晶片的热传导率，所以适合作为形成晶片收纳部的材质。

进而，希望用具有晶片热传导率的0.5倍以上、2倍以下的热传导率的材质形成前述晶片收纳体。由此，可以不增大晶片收纳体的厚度地使热阻比R₂/R₁接近1，所以可以避免装置的大型化。例如，在InP晶片的情况下，600℃下的热传导率为14.3W/m·K，所以可以用热传导率为7.15～28.6W/m·K的材质(例如无定形碳)形成晶片收纳体。

以下，对完成本发明的细节进行说明。

首先，对于晶片2的表面温度比晶片保持器3的表面温度低的原因，本发明的发明人着眼于晶片2以及晶片保持器3内部中的热传递路径的不同。即，一般，晶片2和晶片保持器3的材质不同，不能进行同样的热传导，所以在各自的表面的到达温度上产生了差异。

图3是晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图。在图3中，T_up是晶片保持器3的内面温度，T_surf是晶片2或者晶片保持器3的表面温度，T_down是距晶片2和晶片保持器3的表面规定距离的位置上的假设面(以下称为假想边界面)上的温度。如图3所示，热量沿从晶片保持器3的内面通过晶片保持器3以及晶片2到达假想边界面的热传递路径1热传导到晶片2的表面上，沿从晶片保持器3的内面通过晶片保持器3到达假想边界面的热传递路径2热传导到晶片保持器3的表面上。这样可知，对于晶片2的表面和晶片保持器3的表面，各自的热传递路径不同。

即，通过图3所示的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图，热传递路径1中的热阻R₁是将晶片保持器3部分的热阻R_1c、晶片保持器3和晶片2的接触热阻R_1g、晶片2部分的热阻R_1w相加而得到的热阻，热传递路径2中的热阻R₂是晶片保持器3部分的热阻R_2c。

另外，热阻R通过下式(1)给出。

$R=\frac{L}{k}\·\·\·\left(1\right)$

R【m²K/W】：热阻

L【m】：热流方向的原材料的厚度

k【W/m·K】：热传导率

由此，热阻R₁、R₂可以用下式表示。

$R_1=R_{1c}+R_{1g}+R_{1w}=\frac{L_c}{k_{1c}}+R_{1g}+\frac{L_w}{k_{1w}}\·\·\·\left(2\right)$

$R_2=R_{2c}=\frac{L_c}{k_{2c}}+\frac{L_w}{k_{2c}}\·\·\·\left(3\right)$

(其中，k_1c＝k_2c)

这里，晶片2(InP、GaAs等)的热传导率k_1w与晶片保持器3(石墨、钼等)的热传导率k_2c相比显著地小，所以L_w/k_1w＞L_w/k_2c，而且在晶片2和晶片保持器3的接触面上产生接触热阻R_1g，所以，很明显，R₂比R₁小。

R₁＞R₂    ...(4)

另外，热传导受热传递路径中的热通量支配。一般地，热通量是指流过单位面积(单位：m²)的能量(热流)的量，用下式(5)给出。

$q=-\frac{1}{R_{\mathrm{total}}}(T_{\mathrm{down}}-T_{\mathrm{up}})\·\·\·\left(5\right)$

q【W/m²】：热通量

R_total【m²K/W】：总热阻

T_up【K】：上游侧温度

T_down【K】：下游侧温度

另外，在图3中，热传递路径1、2中的总热阻R_1total、R_2total用下式表示。

R_1total＝R₁+R_1a  ...(6)

R_2total＝R₂+R_2a  ...(7)

(其中，R_1a＝R_2a)

由上式(4)、(6)、(7)可知，R_1total＞R_2total。因此，热传递路径1中的热通量q₁比热传递路径2中的热通量q₂小。

q₂＞q₁  ...(8)

另外，热通量q₁、q₂可以使用晶片2的表面温度T_1surf、晶片保持器3的表面温度T_2surf如下式那样表示。

$q_1=-\frac{1}{R_{1o}}(T_{\mathrm{down}}-T_{1\mathrm{surf}})\·\·\·\left(9\right)$

$q_2=-\frac{1}{R_{2o}}(T_{\mathrm{down}}-T_{2\mathrm{surf}})\·\·\·\left(10\right)$

由上式(8)、(9)、(10)可以导出晶片2的表面温度T_1surf比晶片保持器3的表面温度T_2surf低。

T_2surf＞T_1surf  ...(11)

这样可知，在以往的气相生长装置中，晶片2和晶片保持器3的热传导率存在较大的不同，所以会如上述那样，在表面温度T_1surf、T_2surf间产生差异。

因此，本发明的发明人就缩小晶片2的表面温度T_1surf和晶片保持器3的表面温度T_2surf的差异的方法进行了研究，从上式(5)～(10)发现，使各自的热传递路径中的热阻R₁、R₂相等即可(即，使热阻比R₂/R₁接近1)。

本发明是以上述发现为基础而完成的，在气相生长装置中，在用单一的原材料或者部件构成晶片保持器3的情况下，从晶片收纳体3的内面朝向晶片2的表面的热传递路径中的热阻R₁与从晶片收纳体3的内面朝向晶片收纳体3的表面的热传递路径中的热阻R₂之比R₂/R₁为0.4以上、1.0以下。

又，在上式(2)、(3)中，可以通过增大L_c的值来使热阻比R₂/R₁接近1，但由于温度控制上、装置的有效空间上、成本上的问题而难以实现，所以作为具体的对策，采用具有与晶片2的热传导率接近的热传导率的材质作成品片保持器3。

附图说明

图1是表示本实施方式的气相生长装置的概略构成的剖视图。

图2是表示由单一的原材料或者部件构成的晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)是俯视图，(b)是A-A线剖视图。

图3是表示使用由单一的原材料或者部件构成的晶片保持器3的情况下的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图。

图4是实施例中的气相生长装置100的晶片2以及晶片保持器3附近的概略解析模型图。

图5是表示作为实施例而使用了α-碳制的晶片保持器的情况下的晶片以及晶片保持器内部的温度分布的解析结果。

图6是表示作为比较例而使用了石墨制的晶片保持器的情况下的晶片以及晶片保持器的温度分布的解析结果。

图7是表示实施例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。

图8时表示比较例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的气相生长装置(MOCVD装置)的实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式的气相生长装置的概略构成的剖视图。图2是表示晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)为俯视图，(b)为A-A线剖视图。

第1实施例的气相生长装置的概略构成与以往技术中示出的气相生长装置相同，但在作为晶片收纳体的晶片保持器3的材质这一点上，在以往技术中使用的是石墨等热传导率较高的材质，但在本实施例中则使用无定形碳(以下，简单记作α-碳)。

如图1所示，气相生长装置100包括：反应炉1、配置晶片2的晶片保持器3、载置晶片保持器3的衬托器4、设置在衬托器4的下侧的加热器5、旋转自如地支承晶片保持器3以及衬托器4的旋转机构6、供给原料气体和载气的气体导入管7、排出未反应气体的气体排出管8等。

该气相生长装置100的各壁体由例如不锈钢构成。另外，气体导入管7设置在上侧壁体中央部，将例如三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMG)等第13(3B)族原料气体和砷化三氢(AsH₃)、磷化氢(PH₃)等第15(5B)族原料气体以及作为载气的氢气(H₂)等惰性气体导入反应炉内。

晶片保持器3由成型为圆盘状的α-碳构成，并载置于衬托器4上。另外，晶片保持器3在其一个面上，在同一圆周上形成有多个(图2中为6个)用于配置晶片2的圆形凹坑3a。衬托器4由热传导率较高的材质(例如钼等)构成，以均等地传递来自加热器5的热量，并由旋转机构6可旋转地支承。另外，在衬托器4的下侧，同心圆状地配设有用于加热晶片2的加热器5。

在以往的气相生长装置中，一般使用热传导率较高的石墨或钼等作为晶片保持器3，但在本实施方式中，是α-碳制成的。即，使用热传导率为10W/m·K的α-碳取代热传导率为100W/m·K的石墨，由此可以使配置在晶片保持器3上的晶片2的热传导率和晶片保持器3的热传导率接近。InP晶片的热传导率为14.3W/m·K，所以α-碳的热传导率为其大约0.7倍。

这样，在本实施例中，α-碳的热传导率接近于所配置的晶片2的热传导率，所以从加热器5经由衬托器4以及晶片保持器3朝向晶片2的表面以及晶片保持器3表面的热传递路径中的热阻就变得相等，从而晶片2的表面和晶片保持器3表面达到大致相同温度。因此，可以避免因晶片2和晶片保持器3的表面温度的差异而导致的周缘部比中央部温度高的问题，从而晶片2的面内温度分布容易变得均匀。

气体排出管8设置在反应炉1的底面上。经由气体导入管7而从导入口导入到反应炉1内的原料气体在反应炉的上游侧被分解并流向下游侧，在晶片2上形成薄膜，未反应的原料气体则与载气一起经由排气口从气体排出管8向外部排出。

另外，尽管没有图示，但在例如旋转机构6的外周以及反应炉的下侧壁面的外壁上设置有水冷套，用这些水冷套以及加热器5来控制反应炉1内的温度。

在上述构成的气相生长装置100中，通过加热器5从衬托器4的下侧进行加热，由此使热量经由衬托器4、晶片保持器3传至晶片2，使晶片2上升到规定的温度。另外，通过旋转机构6使衬托器4以规定的转速旋转，由此从气体导入管7导入的原料气体和载气均等地供给到晶片2的表面，气相生长出薄膜。此时，晶片2的表面和晶片保持器3表面的温度大致相同，所以晶片2的面内温度分布变得均匀，从而可以气相生长出均匀性优良的薄膜。

以下，示出使用实施例的气相生长装置进行关于热传导的模拟的结果，使本发明的特征之处更加明确。另外，使用以往的气相生长装置进行同样的模拟，作为比较例。

模拟是在上述气相生长装置100中，将晶片2及其附近模型化，通过利用有限体积法的3维热传导解析而进行的。又，在本实施例中，使用α-碳制成的晶片保持器3，在比较例中则使用石墨制成的晶片保持器3。

图4是气相生长装置100的晶片2以及晶片保持器3(至从晶片2的外周向外10mm处)的概略解析模型图。在图4中，从晶片保持器3的底面至晶片2的距离为2.3mm。另外，晶片2是厚度为0.5mm、内径为50mm(2英寸)的InP晶片，反应炉1内为氢气气氛。另外，解析时的网格数为大约600万网格。

另外，晶片2和晶片保持器3之间的接触热阻(R_1g)为2.0×10^-4m²K/W。又，接触热阻R_1g受互相接触的部件之间的平面度、表面粗糙度、物质的热扩散系数的影响，可以通过将接触面间的距离调整得较小，来使接触热阻R_1g较小。

进而，作为解析条件，位于晶片2的上方35mm处的假想边界面的边界条件为45℃，晶片保持器3的边界面(内面)的边界条件则为650℃。又，氢气具有较低的普朗特数，所以热扩散优先于粘性扩散，另外在层流区域的雷诺数较低的区域内可以忽略平流的影响，所以在本模型的热传导解析中近似地作固体处理。

另外，在本解析中，使用下表1所示的物理参数。

表1

	氢气	石墨(比较例)	α-碳(实施例)	InP
					密度【kg/m3】	0.00259	2000	1550	4787
比热【J/kgK】	14500	1000	1000	368
					热传导率【W/m·K】	0.4048	100	10	14.3

图5是表示作为实施例而使用了α-碳制的晶片保持器3的情况下的晶片2以及晶片保持器3内部的温度分布的解析结果，图6是表示比较例的解析结果。又，在图5、图6中，将晶片2和晶片保持器3的边界部分放大，以使得解析结果明确。

另外，图7是表示实施例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果，图8是表示比较例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。又，在图7、图8中，以晶片中心为0来表示直径方向的位置上的表面温度。

在实施例中，如图5所示，在热流的行进方向(晶片保持器3的内面→表面)上显示出了较大的温度梯度，晶片2和晶片保持器3中的温度梯度大致相等。另一方面，在比较例中，如图6所示，晶片2中的温度梯度较大，与其相对，晶片保持器3中的温度梯度则比较缓和。由此可知，在实施例中，虽然热传递路径不同，也可以同样地进行热传导。

又，在实施例中，热阻比R₂/R₁为0.554，与其相对，在比较例中，热阻比R₂/R₁为0.091。

另外，在实施例中，如图7所示，晶片的表面温度为大约637.4℃，晶片保持器表面温度为大约639.0℃，其差为大约1.6度，与其相对，在比较例中，如图8所示，晶片的表面温度为大约638.7℃，晶片保持器表面温度为大约641.0℃，其差为大约2.3℃。即，对于晶片2的周缘部(22～25mm)的表面温度与中央部(0附近)的表面温度之差，实施例中较小，可知晶片2的面内温度分布改善得均匀了。

如以上说明所述，在实施例中，晶片2周缘部的表面温度受到的晶片保持器3的表面温度的影响变得较小，所以可以将晶片2的面内温度分布保持得比较均匀。其结果，可以说适合于气相生长出在晶片2的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。

根据本实施例，在气相生长装置100中，从晶片收纳体的内面朝向前述晶片的表面的热传递路径中的热阻R₁与从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片收纳体的表面的热传递路径中的热阻R₂之比R₂/R₁为0.4以上1.0以下，所以各自的传递路径中的热阻变得相等。即，热传导是按照同样的热通量进行的，所以可以使晶片和晶片收纳体的表面的到达温度大致相同。

因此，由于晶片周缘部的表面温度受到的晶片保持器的表面温度的影响变小，所以可以将晶片的面内温度分布保持得一致，其结果，可以起到下述效果，即可以气相生长出在晶片的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。

产业上的可利用性

在以上的说明中，主要是就本发明的背景即纵型高速旋转式的气相生长装置对本发明的发明人作出的发明进行了说明，但本发明并不限于此，也可以在一般的气相生长装置、例如面朝下方式、横型方式、自公转方式的气相生长装置中利用。

另外，不限于使用InP晶片的情况，在使薄膜在Si、GaAs、GaN、蓝宝石、玻璃、陶瓷晶片等上生长的情况下也是有效的。该情况下，也可以根据使用的晶片变更晶片保持器3的材质。

Claims (3)

1.一种气相生长装置，至少备有：可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，其特征在于，前述晶片收纳体由单一的原材料或者部件构成；从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片的表面的热传递路径中的热阻R₁与从前述晶片收纳体的内面朝向前述晶片收纳体的表面的热传递路径中的热阻R₂之比R₂/R₁为0.4以上、1.0以下。

2.如权利要求1所述的气相生长装置，其特征在于，前述晶片收纳体由具有所配置的晶片的热传导率的0.5倍以上、2倍以下的热传导率的材质形成。

3.如权利要求1或2所述的气相生长装置，其特征在于，前述晶片收纳体由无定形碳形成。

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