CN104641454A - 基座、结晶生长装置以及结晶生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基座、结晶生长装置以及结晶生长方法，其使生长层均匀地生长在载置于在基座上的基板上。在下部板(31)中，在基板载置部(311)的外周，高于基板载置部(311)的外周突起部(312)包围基板载置部(311)而形成。由此，基板载置部(311)成了形成于下部板(31)中的凹部底面，而基板(50)被载置于该凹部上。即，下部板(31)形状为：基板(50)嵌合于被外周突起部(312)所包围的内部中。

Description

基座、结晶生长装置以及结晶生长方法
技术领域
本发明涉及通过化学气相沉积法在基板上形成生长层用的基座、以及使用该基座的结晶生长装置、结晶生长方法。
技术背景
以GaN为代表的III族氮化物半导体由于其带隙较为广泛，因此作为紫外线、蓝色、绿色等发光二极管(LED)、镭射二极管(LD)等发光元件以及能量元件的材料被广泛使用。在制造使用硅等LIS等的半导体装置时，相对于使用通过切割大口径的大体积结晶得到的大口径晶片，在这种III族氮化物半导体的情况下，得到大口径例如4英寸口径以上的大体积结晶，是一件极为困难的事情。为此，在制造使用这类III族氮化物半导体的半导体装置时，通常使用令该III族氮化物半导体在同自身材料不同的基板上进行外延生长即异质外延生长的晶片。
作为对III族氮化物半导体的外延生长方法，已知有分子束外延法(MBE)和有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。这其中，MOCVD法由于量产性比MBE法要好，因此适合被使用。在MOCVD法中，于腔内将作为基板的晶片支撑并载置在基座上，令其处于规定温度，例如1000℃以上的状态下，然后通入包含构成半导体原材料的元素的有机金属气体即原料气体等。原料气体在该温度下，于基板表面上产生反应，从而能够在基板上形成单晶的优质半导体层。
此时，在高温下支撑基板的基座将对于生长的半导体层即生长层的特性产生重大影响。对于基座有着如下的要求：
(1)能够将热传导率高的基板维持在一定的温度；
(2)在半导体中，不含电气或者光学活性的杂质元素，即在电气或者光学性方面度对于特性不造成影响；
(3)具有充分的机械强度以及耐热性等。
为此，一般来说，作为基座的素材，使用热传导率高的黑铅等等。此外，基座上每次进行结晶生长时，都要载置新的基板来进行结晶生长，而基座则在其使用寿命范围内反复被使用。为此，要求能够使用同样的基座，在长时间内充分重现同等特性的半导体层。为此人们提出了具有满足这些要求的结构的各种基座的方案。
在专利文献1、2中，记录了为了提高每次结晶生长的重现性，而在基座上部新增设可替换结构物体的结构。该结构物体在专利文献1所述的技术中是SiC制造的盖子，在专利文献2所述的技术中是薄薄的黑铅所制造的防止接触板。在这样的构造中，其具有可以适当地替换、洗净这些结构物体的结构。这么一来，就抑制了杂质从基板一侧朝基座扩散，并且还抑制了杂质扩散到新载置的其他基板、以及上表面的半导体层上。也就是说，通过这样的结构，能够抑制杂质在基板之间的转引，从而在长时间内良好地重现优质特性的半导体层。
[专利文献1]日本专利特开平3-69113号公报
[专利文献2]日本专利特开平6-314655号公报
发明内容
发明需要解决的问题
通过上述的技术，虽然能够良好地重现优质特性的半导体层，但是实际上在形成于1块基板上的半导体层上，中心部位同周边部位的结晶性和膜厚是不同的。也就是说，虽然每次能够良好地重现生长，但是半导体层即生长层的表面均匀性却并不是很好。
不仅是MOCVD法，当在控制温度的基座上载置基板，并且在基板上形成生长层的情况下，使用其他的CVD法等也会产生这样的状况。
也就是说，想要在载置于基座上的基板上均匀地形成生长层，这是很困难的事情。
此外，除了基板以外，在腔内壁以及基座等结构物体的表面上，原料气体会产生反应，因此反应生成物，通常是与半导体层结构类似的多结晶层也会形成于腔内壁、基座和结构物体的表面。虽然反应生成物未必都是杂质，但是若反应生成物变厚，并且剥离的部分附着在基板表面的话，则附着该反应生成物的地方将会阻碍结晶生长，因此构成生长效率下降的原因。还有，若反应生成物变厚，则表面温度也会因此发生变动，这也将成为导致基板上的半导体层的膜厚以及各种特性发生变化的原因。为此，需要定期替换、清扫腔和基座等，但是以维护容易为优选。
本发明鉴于上述的问题点而制成，其目的是提供一种解决上述问题点的发明。
技术方案
本发明为解决上述问题，构成为如下的结构。
本发明的基是支撑基板、在该基板上利用化学气相沉积法(CVD)来形成生长层的基座，其特征在于，所述基座具有下部板与上部板，其中所述上部板被设置在该下部板的上表面；所述下部板具备基板载置部，所述基板载置部也就是在所述下部板的上表面载置所述基板的区域，还有，在所述基板载置部周围具备外周突起部，所述外周突起部形成为：将所述基板包围在所述基板载置部上的形状；所述上部板被载置在所述下部板上表面的除了所述基板载置部以及所述外周突起部以外的区域，所述上部板具有使所述基板载置部和所述外周突起部的顶部露出于所述上部板的上表面一侧的形状；所述上部板在上下方向上的热传导率，比所述下部板的在上下方向上的热传导率要低。
本发明的基座的特征在于，在所述基板载置部中载置所述基板的面被设定为：比载置所述上部板的所述下部板的上表面要高；所述下部板和所述上部板进行组合的时候，所述上部板的上表面与所述外周突起部的顶部处于同一高度。
本发明的基座的特征在于，所述外周突起部的宽度为1.0mm～5.0mm的范围。
本发明的基座的特征在于，构成所述上部板的主要材料是热解碳。
本发明的基座的特征在于，在所述下部板的表面具备表面保护层。
本发明的基座的特征在于，所述表面保护层是由热解氮化硼(PBN)或者碳化硅(SiC)构成的。
本发明的结晶生长装置是在基座上载置基板，在该基板上利用化学气相沉积法形成生长层的结晶生长装置，其特征在于，所述基座具有下部板与上部板，所述上部板被设置在该下部板的上表面；所述下部板具备基板载置部，所述基板载置部也就是在所述下部板的上表面载置所述基板的区域，还有，在所述基板载置部周围具备外周突起部，所述外周突起部形成为：将所述基板包围在所述基板载置部上的形状；所述上部板被载置在所述下部板上表面的除了所述基板载置部以及所述外周突起部以外的区域，所述上部板具有使所述基板的上表面和所述外周突起部顶部露出于所述上部板的上表面一侧的形状；所述上部板在上下方向的热传导率，比所述下部板以及所述基板的在上下方向的热传导率要低。
本发明的结晶生长装置的特征在于，在所述基板载置部中载置所述基板的面被设定为：比载置所述上部板的所述下部板的上表面要高；所述下部板、所述基板和所述上部板进行组合的时候，所述上部板的上表面、所述基板的上表面以及所述外周突起部的顶部处于同一高度。
本发明的结晶生长装置的特征在于，所述外周突起部的宽度为1.0mm～5.0mm的范围。
本发明的结晶生长装置的特征在于，构成所述下部板的主要材料是黑铅；构成所述上部板的主要材料是热解碳。
本发明的结晶生长装置的特征在于，在所述下部板的表面具备表面保护层。
本发明的结晶生长装置的特征在于，所述表面保护层是由热解氮化硼(PBN)或者碳化硅(SiC)构成的。
本发明的结晶生长方法的特征在于，使用所述的结晶生长装置，在腔内加热所述下部板，在所述基板载置于所述基座上且在加热状态下，通入包含所述生长层原料的原料气体。
本发明的结晶生长装置的特征在于，所述基板是蓝宝石，所述生长层生长时，所述基板的温度在1000℃以上。
本发明的结晶生长装置的特征在于，所述生长层为氮化物半导体。
发明效果
本发明有着以上的结构，因此能够在载置于基座上的基板上均匀地形成生长层。还有，本发明提供了一种便于维护的基座。
附图说明
图1为在作为参考例的结晶生长装置中所用的基座的透视图，a：组装前、b：组装后。
图2为使用以往的基座(a)，以及使用作为参考例的结晶生长装置中所用的基座(b)的情况下，沿着上下方向截面组合图。
图3为模式地表示过去基座中热传导状况的图。
图4为使用变形例子时，沿着上下方向的截面的组合图，其中变形例子是使用了作为参考例的结晶生长装置中所用的基座的变形例子。
图5为涉及于本发明实施方式的结晶生长装置中使用的基座在组合前的透视图。
图6为涉及本发明实施方式的结晶生长装置中使用的基座的截面图，a：组合前、b：组合后。
图7为一例在生长层外周部分产生裂纹的光学显微镜照片。
具体实施方式
以下就本发明的实施例所涉及的结晶生长装置进行说明。发明者发觉到：利用MOCVD法来在载置于基座上的基板上生长半导体层时，出现半导体层结晶性、膜厚等特性上表面内不均匀性，其原因在于基板温度的在表面内的不均匀性，通过调查基板温度的表面内不均匀性，利用以下说明的结构的基座，减少了该不均匀性。从而生长的半导体层的特性的表面内不均匀性得以减少了。只是在这样的情况下，于生长的半导体层的最端部会随处见到裂纹的产生。而这一点在本发明的实施方式所涉及的结晶生长装置中会有进一步的改善。
图1为在作为参考例的结晶生长装置中所用的基座的透视图，在此a：组装前、b：组装后。在此，该基座10由下部板11和上部板12构成。在该结晶生长装置中，于腔内，在该基座10上设置基板，并在该温度被控制的状态下，通入原料气体。由于原料气体在基板表面发生化学反应，半导体层形成于基板上。在此形成的半导体层例如为，如氮化铝等氮化物半导体，作为基板例如使用蓝宝石层。作为这种情况下的原料气体，使用三甲基铝(TMA)、氨(NH3)等。这种情况下，生长温度为1000℃以上。
下部板11的表面即载置基板50一侧的面最好是同基板50的内面之间的间隙变小的形状，例如最好是平坦的形状。此外，该表面比起使用的基板50要大很多，形成在该表面上可载置略圆板状基板(晶片)50的结构。下部板11用于将基板50载置在其上表面，维持所希望的温度，这同在以往的结晶生长装置中使用的过去基座形成了对比。为此，构成下部板11的材料和以往的基座材料相同，例如使用热传导率高的黑铅。此外，图1(a)中下部板11为矩形立体形状，但只要是具备上述表面的形状，则不需要如表面那样限定严格，下侧可以是任意形状。此外，下部板11不需要是单一的材料所构成，为了提高表面的耐冲击性和化学稳定性，作为表面保护层例如可以使用在黑铅上涂布热解氮化硼(PBN)或者碳化硅(SiC)的结构：
下部板11例如是一种通过电热器和高频加热的加热方式进行加热的结构。此外，下部板11上还安装有温度感应器，用于反馈在此测定的温度，控制加热方式，从而能够将下部板11维持在规定的温度，例如在1000℃以上。所述下部板例如可以从其下表面一侧进行加热。
另一方面，上部板12可以比下部板11要薄，并且在中央部设有开口部121。开口部121形成一种适于基板50形状的形状。此处所用的基板(晶片)50的尺寸是任意的，例如为直径2英寸的圆形。这个时候，开口部121的直径构成一种比2英寸稍微大一点的圆形，从而在其中载置基板50。此外，上部板12如图1(b)所示，被设置在下部板11的表面来使用，因此其外形构成适于下部板11表面的形状。此外，上部板12设置在下部板11表面上的时候，开口部121中的下部板11的表面成为载置基板50的基板载置部、下部板11的至少这部分区域的表面为平坦的。为此，在图1(b)的状态下，开口部121中载置基板50，令该基板50的温度维持在接近于下部板11的温度的状态，从而能够进行结晶生长。在上部板12设置在下部板11上的时候，在它们其中一个的一部分设置凹部，另一方设置与此相对应的凸部。从而令它们榫接或者暗销接合地进行固定，而端部则使用固定拴等方式，进行一种可自由安装脱落的固定。另外，为了减少这种固定所使用的固定部对于基板50的温度的影响，因此固定部在下部板11、上部板12中，优选设置在远离基板50的地方。
另外，在图1中，是将基板50的形状作为单纯的圆形进行了单纯的描述，不过实际上基板50并非完整的圆形，其圆周的一部分在很多情况下设置有定向平面。开口部121的形状被设定为：能够将基板50载置在其中，并且能够形成同该附带定向平面的基板50的形状所对应的形状。
在此，构成上部板12的主要材料，同构成下部板11的主要材料并不相同。在此，所谓主要材料，意味着体积比例超过50％的材料。特别是在上下方向，即基板或者上部板12的厚度方向的热传导率，由于构成这些的主要材料不同而不同，构成上部板12的材料在该方向上的热传导率被设定为：小于构成下部板11的材料在同一方向上的热传导率。此外，构成上部板12的材料在同一方向上的热传导率被设定为：低于同一方向的基板的热传导率。另外，作为热传导率的数值，例如可以使用通过JISA1412所述的测定方法所得到的数值。
例如，在用黑铅构成下部板11的情况下，在1000℃以上的温度范围内，该热传导率可以设为40～100W/m/K左右。此外，在将蓝宝石作为基板使用的情况下，在1000℃以上的温度范围的厚度方向即c轴方向的热传导率为8W/m/K左右。在这种情况下，例如可以用热解碳(PG)来形成上部板12。热解碳的构成元素虽然与普通的黑铅一样都是碳，不过它却是在黑铅形成的基材上，以CVD法形成数mm厚的厚膜之后，将基材剥离下来而制作出来的，因此各向异性高，其面内方向同厚度方向的热传导率有很大差异。为此，若是用PG形成薄板状的上部板12，则该厚度方向的热传导率，于1000℃以上的温度范围内例如可以设为1.5W/m/K左右。在这样的材料构成的情况下，能够满足上述的热传导率的关系。另外通常而言，黑铅在高温下将会同氨气反应而消耗掉，而密致形成的PG同氨气之间的反应性能低，可以承受长时间的使用。所以特别优选使用具有这种耐氨特性的PG。
图2表示关于使用过去基座90的情况(a)，以及使用上述基座10的情况(b)，沿基板的厚度方向即上下方向的截面的组合图。在以往的基座90中，虽然基座90是一体形成的，但是由于将基板50固定在上表面，所以其表面也形成了对应基板50形状的凹部91。凹部91的底面是平坦的。在此，基板50的厚度例如为430μm左右，凹部91的深度为0.5mm左右，该形状为能够在其中维持基板50的形状，例如在使用2英寸直径的基板50的情况下，凹部91形成为比直径2英寸要稍微大一些的圆形形状。凹部91的截面形状只要是能够顺利完成下列工作的形状即可：朝向基板50的表面供应原料气体、进行排气。根据上述结构，被载置的基板50的表面同其周围的基座90的表面几乎同样高度，这一点非常适合。
与此相反，在上述的基座10中，基板50通过被维持在上部板12的开口部121即基板载置部中被固定。也就是说，上述的基座10中，下部板11同没有凹部91的以往的基座90相对应，上部板12的开口部121同凹部91相对应。由此，基板50的厚度在430μm的情况下，例如上部板12的厚度与所述凹部91的深度相同，为0.5mm左右，而开口部121可以形成为比直径2英寸要稍微大一些的圆形形状。
以下就通过使用上述结构的基座10，消除基板温度的不均匀性的问题进行说明。
发明者使用图2(a)所示的、以往的基座90，在两种类型尺寸，即2英寸直径和4英寸直径的基板(晶片)50上令半导体层生长，并且对于形成的半导体层的电气特性、结晶性进行调查。结果，无论在哪种直径的情况下，半导体层的中心部同周边部位的特性(结晶性和膜厚)都是不同的。然而，对于在4英寸直径的情况下得到的半导体层特性进行了详细调查，结果发现：4英寸直径的晶片的中心部中相当于2英寸直径的区域特性，同2英寸直径的晶片的结果有着很大差异，几乎同样地显示了与中心部相同的特性，表现得很均匀。此外，在使用放射温度计进行非接触性的温度测定时，载置在基座90上的基板50的表面温度虽然从严格意义而言，由于生长温度与压力等条件而会有所不同，但是可以确定比起周围的基座的表面温度，其温度大概要低50～100℃左右。
通过这样的事实，我们可以发现：该面内不均匀性并非是在基板的整个表面发生的，并且与基板的大小无关，仅在其端部发生这种现象。关于这一点，通过所述温度测定的结果，可以认为其原因是在基板的周围出现温度变高的区域所至。由此认为，通过使用难以产生基板温度不均匀的区域的结构的基座，能够减轻面内不均匀性。
在图2(a)的以往的结构中，用图3模式性地表示了从基座90到基板50的热传导状况。在此，将包含处于载置基板50状况下的凹部91的区域的截面扩大显示，图中的箭头标记即为热传导的方向。首先，基板50的中央部，即从凹部91的端部偏离的区域中可以明确地看到：从基座90的表面朝向上方的上下方向的热传导属于主导性的。然而，有2种热传导是需要我们考虑的，它们分别是：在基板50的端部上，该上下方向的热传导、以及从基座90中的凹部91的端部朝水平方向的热传导。从该水平方向的热传导为：从与基板50的端面相对向的凹部91的内侧面朝向基板50的热传导。另外，实际上不仅是热传导，基板50也会由于基座90传递的辐射而被加热，并且相关影响也是相同的。
在此，于基座90上，基板50同基座90之间成为表面接触的状态，但是被载置的基板50处于仅因为重力而被固定的状态。为此，即便基板50的背面同基座90的表面都是平坦的，它们之间的紧密度也很低，基板50和基座90之间的热阻也不会小。因此，如上所述，虽然优选上下方向的热传导具有主导性，不过即便在基座90和基板50的厚度方向的热传导率都很高的情况下，实际上该上下方向的热传导效率也不会很高。
此外，例如生长温度在800℃以上的情况下，基板50与基座90之间，比起由于接触而产生的热传导，而来自基座90的辐射所导致的加热的影响更为强。还有，如同令III族氮化物半导体生长的情况，在令生长温度达到1000℃以上的情况下，辐射更具有主导性。这是由于：热传导在两个物体，即基板50与基座90之间的温度差几乎是以等比例确定的，而相对的，由辐射所释放出来的能量，为热源，即基座90的温度的四次方比例。由此，在图3中，从基板50的端部的水平方向传递的热传导以及辐射的影响无法忽视。
为此，在基板正下方的基座的温度设置为某一定的温度时，基板的周围，即没有载置基板的区域中的基座表面的温度若是能够与基板表面温度相同或者更低一点的话，则可以认为基板端部的温度的不均匀性将会得到减轻。由于对于结晶生长造成直接影响的是基板表面的温度，因此为了将基板的表面的温度设置为所希望的温度，把基座的温度设置为比该所希望的温度更高一些的温度。
在此，在上述的基座10中，作为同以往的基座90相对应的部分，使用下部板11。为了固定基板50，使用与下部板11并非一体化的上部板12。不过在基板50被载置于下部板11的状态下，它同以往的基座90不同，没有设置凹部，从而令温度高的下部板11的一部分不与基板50的内侧面相对向。也就是说，下部板11的表面同基座90不同，是平坦的。取而代之地，同基板50的侧面相对向的，是上部板12的开口部121的内侧面。
上部板12与基板50相同，在下部板11的上表面处于通过重力进行载置的状态。因此，同基板50与下部板11之间的情况相同，上部板12与下部板11之间的热阻同样很高。还有，通过将上部板12的热传导率设定为低于下部板11、基板50，从而能够令朝向上部板12的热传导效率比朝向基板50的热传导效率要更低，并且让上部板12的表面温度降低。此外，同基板50的侧面相对向的开口部121的内侧面温度比起以往的基座90的凹部91的内侧面温度要低。因此，从同图2(b)结构中的基板50所对应的上部板12传递的水平方向的热传导以及辐射的影响，比起从相对图2(a)、图3的结构中的基板50的基座90的凹部91的端部传递的水平方向的热传导以及辐射的影响要小。因此，和图2(a)的以往的结构相比，能够减轻基板50端部中的温度的不均匀性。此外，由于所述的热传导和辐射导致的、加热的温度依赖性，而将生长温度设为1000℃以上时，能够得到特别出众的效果。
此外，通过使用下部板11和另成一体的上部板12，很明显：这起到与专利文献1、2相同的效果。也就是说，在该结构中，最表面的上部板12虽然比起下部板11更加容易被污染，但是在这种情况下，能够非常容易地进行上部板12的替换、清洗等工作，这么一来，就能够进行重现性很高的结晶生长。此外，若是上部板12的表面温度变低，则通常其表面难以发生化学反应。因此，和以往的基座90相比，上部板12的表面附着的反应生成物也会在量上有所减少。
此外，该基座10被设置在腔内，在该腔内于基板50上形成半导体层。这个时候，腔内壁也会因为相对向的基座和基板产生的辐射而被加热，因此腔内壁上也会附着反应生成物。因此，通常对于附着了反应生成物的腔要进行适当频率的替换、清扫等维护工作。与此相对，在使用上述的基座10的情况下，由于上部板12的表面温度降低，因此与之相对向的腔内壁的温度也会降低。因此，腔内壁上附着的反应生成物的量也将减少。
也就是说，在使用该基座10的情况下，能够减少附着于基座10和腔上的反应生成物的量，因此能够降低维护的频度，并且能够非常容易地进行附着了反应生成物的上部板12的替换和清扫工作。
也可以使用一些非常容易进行该清扫工作的材料来构成上部板12。例如，在反应生成物，例如热膨胀系数为4～6ppm/K左右的AlInGaN的情况下，如果使用热膨胀系数为1ppm/K左右的上述PG用作上部板12的材料，则由于热膨胀系数的差异，可以特别容易地进行反应生成物的剥离、清扫工作。
此外，由于下部板11选择使用了热传导率高的材料，因此通常基板50的材料的热传导率要比这个低。上部板12的材料根据基板50的材料，可以适当采用比基板50的材料的热传导率低的材料。例如SiC，在1000℃以上的温度范围内的热传导率为～70W/m/K左右、TaC在1000℃以上的温度范围内的热传导率为9～22W/K左右，虽然比所述蓝宝石的热传导率高，但是在使用比它们的热传导率还要高的材料作为基板50而使用的情况下，还是能够使用的。
另外，上部板12需要使用不与如氨气和氢气等所用的气体发生反应、或者反应性比较低的材料构成。关于这一点，上述的材料均能毫无问题地使用。对于下部板11也是一样的。
图4显示了作为参考例的上述基座10的变形例子，也就是基座20的截面的组合图。在该基座20中，使用了下部板21同上部板22，从而进一步地抑制向上部板22的热传导。在此，构成下部板21、上部板22的材料分别与所述的下部板11、上部板12相同，只是形状不一样而已。
在下部板21中，同图2(a)所示的以往的基座90相反，载置基板50的区域即基板载置部211比其周围高出一些。或者构成这样的结构：基板载置部211以外的下部板21的表面比起基板载置部211要更加往下挖。基板载置部211的表面同所述下部板11的表面相同，是平坦的。
上部板22中，同所述上部板12相同，形成有与基板50对应的开口部221。此外，在这种情况下，在组合上部板22和下部板21的时候，开口部221被设定为：同基板载置部211相对应。也就是说，在使用该基座20的时候，基板50被载置在开口部221中的基板载置部211上。
另一方面，在下部板21中的基板载置部211以外的区域形成这样的形状：从基板载置部211往下挖。因此，在上部板22和下部板21进行组合的状态中，上部板22的上表面同基板50的上表面的高度关系如果与所述基座10相同的话，则可以让上部板22变厚，其厚度相当于将下部板21的表面往下挖的厚度。也就是说，和所述基座10相比，能够增厚上部板22的厚度。而由于热传导率较低的上部板22变厚了，由此可以进一步地降低上部板22的表面温度。因此，能够进一步减少基板50端部的温度的不均匀性。
此外，在该基座20中，由于形成了令下部板21的凸部即基板载置部211同上部板22的开口部221嵌合的形态，因此可以更加稳固扎实地进行将上部板22朝下部板21设置的工作。
无论是上述的图2(b)还是图4发生的情况，为了将上部板22(12)的表面温度设置为与基板50的表面温度相同或者更低，在把基板50的厚度设为Ts、其热传导率设为λS、上部板22(12)的厚度设为TTP、其热传导率设为λTP的情况下，只要满足下列的关系即可。
[式1]
TTP/λTP≥Ts/λs····(1)
实际上，作为通常使用的基板的厚度，我们使用了500μm左右，因此上部板22(12)的厚度TTP的上限例如为2000μm左右。此外，由于需要把上部板22(12)作为与下部板11、21并非成一体，而是异体的薄板来看待，因此上部板12、22的厚度的下限为：根据材料，能够制造出可搬运之薄板的厚度，例如PG的话就是200μm左右。我们考虑到式(1)来设定TTP的值，而在设定有基座10、20整体的厚度，即在上部板12、22载置于下部板11、21的情况下的累计厚度的情况下，也要依赖于下部板11、21的厚度来进行设定。不过如果上部板12、22越厚，越能抑制挠曲现象。
不过，只要在原料气体供应到基板表面的时候，在表面内是均匀供应的情况下，那么基板的上表面的高度和上部板的上表面的高度并不需要严格地保持一致。在上部板的上表面比基板的上表面高的情况下，可以令上部板的上表面的温度进一步降低。此外，即便在上部板的上表面比基板的上表面要低的情况下，我们可以明确地发现：上部板的上表面的温度比以往的基座要低。
(本发明的实施方式)
在作为上述的参考例的基座中，如上所述，通过调整包含晶片的基座的上表面的温度分布，特别是令上部板的上表面的温度降低，从而提高基板上的生长层的面内均匀性。不过，在使用这种结构的基座的情况下，可以随处见到生长层的最端部(外周部分)形成了裂纹。这一点可以认为：由于上述的结构一方面能够令生长层的大部分区域的温度分布保持均匀，另一方面生长层的外周部分(最端部)中的温度坡度反而变大了。也就是说，可以认为：由于上述的结构，虽然温度坡度较大的区域已经在基板上的广大区域中被排除，但是在基板上的最端部附近的狭窄区域里依然会形成温度坡度较大的区域。为此，作为本发明实施方式的基座中，为了将这种现象消除，而形成了这样的结构：获得均匀的生长层的同时，减少基板的外周部分中的温度坡度。
图5为涉及本发明实施方式的基座30中的下部板31、上部板32、基板50在组合之前的透视图；图6为组合前(a)、组合后(b)中的、沿着该基板50的厚度方向的截面图。在此，在上部板32中，同图4中的上部板22一样形成有圆形的开口部321，而下部板31中的基板载置部311也被设置为：比载置上部板32的面要高。另外，关于下部板31、上部板32的热传导率，设定为同所述的参考例相同。因此，可以提高基板50上的大部分区域的温度均匀性，并且提高生长层的均匀性。这一点与所述参考例也是相同的。
不过，在该下部板31中，比起基板载置部311的外周要高的外周突起部312包围基板载置部311而形成。因此，基板载置部311构成下部板31中形成的凹部的底面，基板50则被载置在该凹部上。也就是说，下部板31构成为这样的形状：在被外周突起部312包围的内部嵌合基板50。另一方面，上部板32中的开口部321不是同基板50对应，而是与外周突起部312的外径相对应，并且形成与之嵌合的形状。外周突起部312的顶部同基板载置部311等构成平行的平面。
在这种结构中，外周突起部312的外侧的下部板31的下部板上表面313(下部板31的上表面)例如可以为平面形状。此外，在将基板50和上部板32设置在下部板31上的时候，与上部板32中的上部板下表面(上部板32的下表面)322接触。另外，相接触的下部板上表面313和上部板下表面322例如可以都是平面形状，不过只要它们彼此接触的时候不容易让原料气体进入界面中，那么也没必要一定是平面形状。这个时候，从上方看去，基板50的上表面和外周突起部312的顶部露出于上部板32。在示例图中从上表面一侧看去，所述的参考例为：构成开口部121的上部板12的内周，同基板50的外周直接进行表面接触，与之相对的，而本实施例中：在构成开口部321的上部板32的内周同基板50的外周之间，设有同下部板31一体化的外周突起部312。这是它们的不同点。
此外，图6中的所述凹部的深度T，即外周突起部312的从基板载置部311开始的高度与基板50厚度相同，例如为0.43mm左右。上部板32的厚度D与下部板31的外周突起部312的高度相同，外周突起部312的高度为：从外周突起部312的外侧，即载置上部板32的面开始的高度。如上所述，比起载置上部板32的面，基板载置部311要高，最终该厚度D比基板50要厚，可以为2mm左右。通过这样的结构，如图6(b)所示，在组合后的状态下，上部板32、基板50的上表面在上部板31上构成同一个面。此外，基板50没有通过上部板32，而是仅靠下部板31进行支撑。
此外，构成下部板31、上部板32的材质与其热传导率同参考例一样。也就是说，例如可以用涂布有较薄的PG的黑铅构成下部板31，而用PG构成上部板。
在该结构中，除了存在外周突起部312，其他都具有与所述参考例相同的结构，因此很明显：这将会与所述参考例起到同样的效果。因此，在结晶生长时，上表面一侧中能够降低基板50周围的上部板32的表面温度，由此可以提高基板50上表面生长的生长层的均匀性。
在此，外周突起部312构成了下部板31的一部分，而由于外周突起部312是一种在局部上朝上方突出的形态，因此外周突起部312的温度，与位于其下方的下部板31的主体并不相同，而是更低一些。外周突起部312的温度由在其下方的下部板31主体、上部板32和基板50所决定。因此，使用第一实施例的基座的情况中，生长层的外周部分的温度坡度较大的区域形成在该外周突起部312上。温度坡度较大的区域没有形成于基板50内，因此抑制了生长层的外周部分的裂纹产生。
此外，外周突起部312的图6中的左右方向的幅度W优选为1～5mm，更优选为1～3mm。在该幅度W不足1.0mm的情况下，减少基板50的最外周区域的温度坡度的效果也就会变差。在该幅度W超过5mm的情况下，实质上，与如图2(a)所示的以往的基座90很相似，所以会降低生长层的均匀性。
此外，如上所述，为了顺畅地将原料气体供应给基板50，优选令基板50的上表面同上部板32的上表面在同一高度，不过在此也优选令外周突起部312的高度和与它们一致。在此，外周突起部312由于比基板载置部311还要高，因此上部板32可以比第一实施方式要更厚。
如前所述，由于上部板32的上表面一侧需要在结晶生长时暴露在原料气体中，因此上部板32的上表面会形成反应生成物层。这样的反应生成物层同上部板32之间会出现热膨胀系数的差异，由此也会导致加热时(生长时)产生上部板32挠曲的现象，在这种情况下，就会发生温度分布的重现性变差等问题。为了抑制这种现象，有效的做法是将上部板32充分变厚。在上述的结构中，即便基板50很薄的情况下，也能够使用这样厚实的上部板32。也就是说，在该基座30中，可以使用因为厚度而抑制了挠曲的上部板32。这么一来，就能提高结晶生长的重现性了。
另外，在上述的实施方式中，记载了在1组基座上载置1块基板的情况，而实际上也可以适当地载置多块基板。在这种情况下，上部板中的开口部、下部板中的基板载置部等只要能够符合配置基板的结构来形成即可。即便在这种情况下，利用上述的结构，也能够在各个基板中得到较高的温度均匀性，由此很明显将得到面内均匀性较高的半导体层。特别是在基座上载置多块基板的情况下，为了提高基板之间的均匀性，有时候也会令基座与各个基板进行旋转，不过即便是这种情况下，很明显一样能够起到相同效果。
不过，在配置多块基板的情况下，基板之间的区域中的基座的结构可以进行适当地设定。例如，如基板的最接近间隔为0～5mm等，在基板之间的间隔狭窄的情况下，可将邻近的2块基板所对应的基板载置部进行一体化来作为上述的基板载置部进行考虑。这种情况下，可以形成这样的形态：邻近的2块基板所对应的开口部321是连续的，2块基板之间不存在上部板。或者，在最接近间隔不足1mm的特别狭窄的情况下，可以是这样的结构：在该基板之间不再需要设置外周突起部，仅在一体化的基板载置部的周围设置外周突起部。在使用3块以上基板的情况下也是一样的。也就是说，即便在这样的情况下，在上部板设置于下部板的上表面的状态下，于除了基板载置部以及外周突起部以外的区域中，下部板的上表面和上部板的下表面进行表面接触。此外这时候，上部板形成这样的形状：载置的基板的上表面同外周突起部的顶部在上部板的上表面一侧露出。
这样的结构例如在配置多个相对直径较小的(2～3英寸)基板(晶片)的情况下也有效。在这种情况下，和配置大直径的基板之情况相比，基座(下部板)露出的面积变小了，因此和参考例以及上述的实施方式所涉及的、基座中的基板周边的结构所产生的效果也会相对减弱。与此相对，在基板直径大于3英寸的情况中，在将基板靠近、进行多块配置的情况下，下部板的露出面积就会变大。因此，参考例和上述的实施方式所涉及的、基座中的基板周边的结构所产生的效果也会增强。也就是说，本发明的基座在排列了多块基板的情况中，在使用大直径基板的情况下特别有效。
在上述的实施方式中，上部板优选采用PG这样的单一材料进行统一构成，不过也并非一定如此，构成上部板的主要材料的上下方向的热传导率只要在满足基板和下部板比上部板要低的这一条件的范围内，也可以使用复合材料，例如在基体材料外面形成厚厚的表面保护层。例如，可以将黑铅作为基体材料使用，然后在外面以成为主要材料厚度厚厚地涂布热传导率低的PG，从而构成上部板。此外，可以将PG作为基体材料使用，而在上表面可涂布以单体因较为柔软而难以构成上部板的pBN，该热传导率为2.7W/m/K左右。即便在这样的情况下，也可以令上部板的表面温度比基板的表面温度要低，起到同样的效果。不过在这种情况下，由于基体材料和涂布层之间的热膨胀系数有差异，从而会导致脱离、开裂、以及由此造成的耐用性降低。所以通常优选采用单一的材料来构成上部板，而这种情况下的材料特别优选用PG。
(实施例)实际上将蓝宝石基板载置在图2(a：比较例)(b：参考例)的两种形态的基座上，设置于腔内，在腔内从水平方向于基板上通入原料气体和载气(氮气和氢气)，同时使用基座下方的加热器对于基座进行加热，除了基座之外，以同样条件在蓝宝石基板上进行AlN的结晶生长。作为基板，采用了直径2英寸、厚度430μm的蓝宝石基板，其在1000℃以上的温度带中的上下方向热传导率为：约8W/m/K，作为原料气体使用TMA、NH3。
比较例的基座的材质是厚度6.5mm的黑铅，其在1000℃以上的温度带中的上下方向的热传导率为40～100W/m/K，表面则涂布150μm的pBN。凹部的深度为0.5mm。参考例的下部板为厚度6mm的平板结构，材质与比较例的基座相同。参考例的上部板的材质为PG，其中1000℃以上的温度带中的在上下方向的热传导率为：约1.5W/m/K，厚度为0.5mm。
对于使用比较例和参考例的基座所得到的半导体层进行测定，测定结果如表1的比较例1和参考例1所示。生长温度，即非接触地测定的、实际的基板表面温度为1150℃。在此，对于包括2英寸直径的面内中的中央一点在内的共计25处进行半导体层的膜厚分布测定，作为均匀性，用以下的公式对于膜厚分布进行计算。
[式2]
膜厚分布(％)＝(最大值-最小值)/(最大值+最小值)×100····(2)
此外，作为表示结晶性的量，对于半导体层(AlN)的(002)面的X射线摇摆曲线(XRC)的半值全宽度(FWHM)值(arcsec)的中心的1个点，以及从中心偏离20mm的4个点共计5个点的测定值的最大值和最小值的差(ΔXRC(002))、同样在(102面)上求得的最大值和最小值的差(ΔXRC(102))进行测定。
[表1]
通过这个结果，我们可以确定：比较例1与参考例1的平均生长速度并没有太大差异，而膜厚分布则在参考例1中得到了减轻。此外，在结晶性方面可以确定：ΔXRC(002)、ΔXRC(102)都是在参考例1中较小，能够得到较高的均匀性。另外，参考例1的(002)面的FWHM的最小值为55arcsec，(102)面的FWHM的最小值为1030arcsec。
此外，比较例的基座，为了去除附着在基座上的AlN，需要浸泡碱溶液，而想要再次使用基座，这种清洁工作并不容易。与此相对，在参考例的基座，使用刷子等工具，只需要轻轻用力就能去除附着在上部板上的AlN，从而令清洁变得容易。
接下来，利用参考例的基座来作为参考例2使用。参考例2除了生长温度为1300℃、压力为10Torr之外，其他都与参考例一样，在蓝宝石基板上令厚度为1.0μm的AlN层生长。其结果，虽然可以得到与参考例1相同的、均匀性较高的生长层(AlN层)，但是在其外周端部产生了裂纹。其表面的光学显微镜照片如图7所示。在图7中，灰色的区域为生长层，而该区域和黑色区域之间的交界线成为了生长层的端部。从左下方朝着右上方四散着裂纹。实际上，该裂纹仅形成于端部极为狭窄的区域，而器件则是形成于从这儿朝着晶片的中央部的、与之偏离的地方，因此不会对于器件造成太大影响，不过端部的裂纹扩散则会导致基板破裂，因此更优选于抑制这种裂纹。
由此，使用材质与参考例相同，下部板：涂布pBN的黑铅、上部板：PG，其形状为图6中的T＝0.5mm、D＝2mm、W＝2mm的结构的、实施例的基座作为实施例1，在与参考例2同样的生长条件下进行结晶生长。另外，作为实施例的基座主体厚度，与比较例、参考例的基座一样都是6.5mm。在同样条件下进行5次结晶生长，结果，相对于使用参考例的基座的参考例2中所有的端部都产生了裂纹，而使用实施例的基座的实施例1则没有看到那样的裂纹。也就是说可以确定：对于该裂纹，实施例的基座能够有效地进行抑制。
此外，在使用实施例的基座的情况下，上部板的结晶生长之后或者生长之中的上部板的挠曲也被减轻。使用参考例的基座，上部板的厚度为0.5mm的参考例2中，由于出现了这种挠曲，因此在基座上会随处看到晶片(基板)移动现象，相对的，使用实施例的基座，上部板的厚度为2mm的实施例1中，晶片完全没有发生移动。也就是说，从上部板挠曲的角度而言，使用实施例的基座的情况下也能取得良好的结果。
此外，作为实施例2、比较例2以及参考例3，以生长温度为1300℃、压力为10Torr为条件，使用实施例、比较例以及参考例的基座进行结晶生长，与比较例1以及参考例1一样，用表2表示评价结晶性的评价结果。通过该结果，虽然看得出实施例2和参考例3中平均生长速度下降了，但是膜厚分布以及结晶性的值则较之于比较例2要小，从而可知：膜厚分布以及结晶性得到了改善。此外，比较实施例2和参考例3，可以发现：实施例2的改善效果更为明显。
另外，在使用实施例的基座的情况下，也容易清洁上部板上附着的AlN，由于下部板中的外周突起部面积较小，因此外周突起部即便附着了AlN，也不会对于基板上的结晶生长带来太大影响，所以比起比较例，清洁的频率将大幅地减少。
[表2]
实施例1 比较例2 参考例3
生长温度(℃) 1300 1300 1300
中心膜厚(nm) 597.7 600.2 588.5
平均膜厚(nm) 595 577.7 604.4
膜厚分布(％) 1.5 2.7 2.2
规格化的生长速度 0.909 1 0.936
ΔXRC(002)(arcsec) 14 49 15
ΔXRC(102)(arcsec) 178 382 292
在上述例子中，记载了令AlN进行生长的例子，不过在令AlGaN、GaN、AlInGaN生长的情况下也能够得到同样的结果。如此一来，生长层即便是其他材料的情况下，只要存在对于生长层的特性的生长温度的影响，很明显能够起到同样效果。例如生长层不局限于半导体层，可以是任意的材料。此外，在生长层为多层的积层结构、各个层的生长温度相同或者不同的情况下，如果在至少一个层上利用上述的结构得到上述的效果，很明显这是有效的。此外，上述例子中是使用MOCVD法进行描述的，不过如果有在高温基板上令原料气体进行反应的CVD法，很明显与气体种类无关，能够起到同样的效果。
符号说明
10、20、30、90  基座
11、21、31  下部板
12、22、32  上部板
50  基板
91  凹部
121、221、321  开口部
211、311  基板载置部
312  外周突起部
313  下部板上表面(下部板的上表面)
322  上部板下表面(上部板的下表面)

Claims (15)

1.一种基座，其是用来支撑基板、并在该基板上利用化学气相沉积法来形成生长层的基座，其特征在于，
所述基座具有下部板与上部板，其中所述上部板被设置在该下部板的上表面；
所述下部板具备基板载置部，该基板载置部是在所述下部板的上表面载置所述基板的区域，并且，所述下部板在所述基板载置部周围具备外周突起部，该外周突起部形成为：将所述基板包围在所述基板载置部上的形状；
所述上部板载置于所述下部板的上表面的除了所述基板载置部以及所述外周突起部以外的区域，所述上部板具有使所述基板载置部和所述外周突起部的顶部暴露于所述上部板的上表面一侧的形状；
所述上部板的在上下方向上的热传导率比所述下部板的在上下方向上的热传导率低。
2.如权利要求1所述的基座，其特征在于，
在所述基板载置部中载置所述基板的面被设定为：比载置所述上部板的所述下部板的上表面还要高；将所述下部板和所述上部板进行组合的时候，所述上部板的上表面与所述外周突起部的顶部处于同一高度。
3.如权利要求1或2所述的基座，其特征在于，所述外周突起部的宽度为1.0mm～5.0mm的范围。
4.如权利要求1～3任一项所述的基座，其特征在于，构成所述上部板的主要材料是热解石墨即热解炭。
5.如权利要求1～4任一项所述的基座，其特征在于，在所述下部板的表面具备表面保护层。
6.如权利要求5所述的基座，其特征在于，所述表面保护层是由热解氮化硼(PBN)或者碳化硅(SiC)构成的。
7.一种结晶生长装置，其是在基座上载置基板，在该基板上利用化学气相沉积法形成生长层的结晶生长装置，其特征在于，
所述基座具有下部板与上部板，其中该上部板被设置在该下部板的上表面；
所述下部板具备基板载置部，该基板载置部是在所述下部板的上表面载置所述基板的区域，并且，所述下部板在所述基板载置部周围具备外周突起部，该外周突起部形成为：将所述基板包围在所述基板载置部上的形状；
所述上部板载置于所述下部板的上表面的除了所述基板载置部以及所述外周突起部以外的区域，所述上部板具有使所述基板的上表面和所述外周突起部的顶部暴露于所述上部板的上表面一侧的形状；
所述上部板的在上下方向上的热传导率比所述下部板以及所述基板的在上下方向上的热传导率低。
8.如权利要求7所述的结晶生长装置，其特征在于，
所述基板载置部的载置所述基板的面被设定为：比所述下部板的载置所述上部板的上表面高；将所述下部板、所述基板和所述上部板进行组合的时候，所述上部板的上表面、所述基板的上表面以及所述外周突起部的顶部处于同一高度。
9.如权利要求7或8所述的结晶生长装置，其特征在于，所述外周突起部的宽度为1.0mm～5.0mm的范围。
10.如权利要求7～9任一项所述的结晶生长装置，其特征在于，构成所述下部板的主要材料是石墨；构成所述上部板的主要材料是热解石墨即热解炭。
11.如权利要求7～10任一项所述的结晶生长装置，其特征在于，在所述下部板的表面具备表面保护层。
12.如权利要求11所述的结晶生长装置，其特征在于，所述表面保护层是由热解氮化硼(PBN)或者碳化硅(SiC)构成的。
13.一种结晶生长方法，其特征在于，使用权利要求7～12任一项所述的结晶生长装置，在腔内加热所述下部板，在所述基板载置于所述基座上且在加热状态下，通入包含所述生长层的原料的原料气体。
14.如权利要求13所述的结晶生长方法，其特征在于，所述基板是蓝宝石，所述生长层生长时，所述基板的温度在1000℃以上。
15.如权利要求13或14所述的结晶生长方法，其特征在于，所述生长层为氮化物半导体。
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