JP2000100726A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成長速度が遅く、膜厚に分布があったＩｎＧ
ａＮ，ＡｌＧａＮ等の化合物半導体膜の成長において
も、良好な膜質，成長速度，膜厚均一性、再現性を確保
できる気相成長装置を提供する。 【解決手段】 サセプタ１１の上流側に設けられている
フローチャンネル１４内に水平方向の仕切板１９を設け
て上下二層のガス流路を形成し、基板側の下部側流路２
０に原料ガスを供給し、上部側流路２１に原料ガスと異
なるパージガスを供給するとともに、サセプタ上流側の
フローチャンネルの下面に温度調節可能な冷却手段２３
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置に関
し、詳しくは、サセプタ上に載置されて所定温度に加熱
された基板面に対して平行に気相成長ガスを流し、基板
面に半導体膜を成長させる横型の気相成長装置であっ
て、特に、ＧａＮ等の化合物半導体膜を成長させる有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に適した構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の横型気相成長装置の一例
を示す断面図である。この気相成長装置は、密閉容器１
内に、鉛直方向の回転軸（サセプタ支持軸）２に支持さ
れたサセプタ３と、該サセプタ３の上方を覆う可動フロ
ーチャンネル４と、該可動フローチャンネル４の上流側
の固定フローチャンネル５と、下流側の排気通路６と、
前記サセプタ３の下部のヒーター７とを収納したもので
あって、基板８は、サセプタ３の上面に載置されてサセ
プタ３と一緒に回転するとともに、サセプタ３を介して
ヒーター７により所定温度に加熱される。

【０００３】前記フローチャンネル４，５は、石英ガラ
スで形成された幅方向に偏平な角筒状のものであり、固
定フローチャンネル５の上流には，原料ガス等を供給す
るガス供給部が設けられている。また、サセプタ３及び
ヒーター７の周囲は、箱型のリフレクター９により覆わ
れている。

【０００４】ガス供給部から所定流量で供給され、フロ
ーチャンネル４，５を通ってサセプタ３の部分に到達し
た原料ガス（気相成長ガス）は、高温に加熱されている
サセプタ３の上方で熱分解し、分解したガス分子が基板
８の表面に堆積して膜形成が行われる。堆積せずに基板
面を通過した原料ガスやキャリアガスは、排気通路６か
ら排出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
従来の気相成長装置を使用してＧａＮ系の膜成長を大気
圧下で行う場合、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ等では、気相
中の反応が原因で成長速度が著しく減少したり、ガスの
流れ方向に成長速度の分布が発生したりすることがあ
る。これらは、減圧下で成長操作を行うことにより軽減
することが可能ではあるが、高品質な膜を得ることが困
難であり、また、減圧ポンプ等の大掛かりな設備が必要
になるという欠点があった。

【０００６】一方、フローチャンネルの高さ方向の寸法
を小さくしてフローチャンネル内のガス流を高速（毎秒
１ｍ程度）とすることにより、上記問題点をある程度解
決できるが、この場合、サセプタの上流端部分等で極端
に成長速度が上昇することがあり、また、サセプタに対
向するフローチャンネル天井面に分解生成物が厚く堆積
してしまい、パーティクルの発生に伴う膜質の劣化や、
流路断面積が変化することによる膜質再現性の劣化を生
じることがある。

【０００７】フローチャンネル天井面への堆積を少なく
する手段として、サセプタ上流側のフローチャンネル内
を上下に仕切る仕切板を設け、サセプタに近い下部側の
流路に原料ガス（反応ガス）、上部側の流路にパージガ
スを流す方法を容易に着想することができる。この方法
によれば、天井面への堆積の防止による流路確保と原料
ガスの消費抑制とには効果があるが、サセプタ上流端及
びフローチャンネルのサセプタに接続する近傍での成長
速度の増加はさらに顕著となり、全てを解決することは
できない。

【０００８】同様に、下部側の流路にパージガス、上部
側の流路に反応ガスを流す方法も提案されているが、こ
の方法では、サセプタ上流端での成長速度の増加は抑制
できるものの、フローチャンネル天井面への堆積を防止
することはできない。

【０００９】さらに、フローチャンネル内に二枚の仕切
板を設けて上下三層の流路を形成し、サセプタに近い下
部流路に基板の分解防止ガス又はパージガス、中央部の
流路に原料ガス、そして上部流路にパージガスを流す方
法も提案されている。この方法により、上記各問題を一
応解決することはできる、構造が複雑になり、かつ、三
流路に分割した流れとなることから、フローチャンネル
の実質的な厚さを十分に薄くすることが困難となり、ガ
スの消費量が増加してしまい、また、三流路それぞれの
層の流量比を制御するために独立の制御機構を必要と
し、装置コストの上昇を招いてしまう。

【００１０】そこで本発明は、サセプタに対向するフロ
ーチャンネル天井面への堆積を防止して流路を確保し、
かつ、原料ガスの消費を抑制しながら高速流が実現で
き、さらに、サセプタ上流端での成長速度の増加を抑制
することにより、従来では成長速度が遅く、膜厚に分布
があったＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の化合物半導体膜の
成長においても、他の膜と変わらない膜質，成長速度，
膜厚均一性、再現性を確保できる気相成長装置を提供す
ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の気相成長装置は、サセプタ上に載置した基
板面に対して平行に原料ガスを流して気相成長を行う横
型気相成長装置において、前記サセプタの上流側に設け
たフローチャンネル内に水平方向の仕切板を設けて上下
二層のガス流路を形成し、基板側の下部側流路に前記原
料ガスを供給し、上部側流路に原料ガスと異なるパージ
ガスを供給するとともに、サセプタ上流側のフローチャ
ンネルの下面に温度調節可能な冷却手段を設けたことを
特徴としている。

【００１２】さらに，本発明の気相成長装置は、前記サ
セプタの外周部に溝を設けたり、外周部を別部材とする
など、基板を載置する部分と外周部とを熱的に遮断する
熱遮断部を設けたことを特徴とし、また、前記パージガ
スが、水素，窒素，アルゴンのいずれか一種又はこれら
の二種以上の混合ガスであり、パージガス供給部には、
供給するパージガスの流量を調節する流量制御手段及び
これらのガスの混合比を調節する混合比制御手段が設け
られていることを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明の気相成
長装置の一形態例を示すもので、図１は断面正面図、図
２は要部の底面図である。この気相成長装置は、従来と
同様に、サセプタ１１の上面に載置した基板１２の表面
に対して平行に原料ガスを流して基板面に半導体膜を成
長させる、いわゆる横型気相成長装置であって、原料ガ
スは、原料ガス供給部１３からフローチャンネル１４を
介して基板部分に供給され、余剰の原料ガス等は、排気
通路１５から排出される。

【００１４】サセプタ１１は、中心に熱電対を挿入した
サセプタ支持軸１６の上端に支持された円盤状のもので
あって、その裏面部分には、サセプタ１１を介して基板
１２を所定温度に加熱するためのヒーター１７が設けら
れている。また、サセプタ１１やヒーター１７の周囲
は、ヒーター１７の熱をサセプタ１１に効率よく伝える
ためのリフレクター１８により覆われている。

【００１５】前記フローチャンネル１４は、基板交換の
際に着脱されるサセプタ周囲の可動フローチャンネル１
４ａと、その上流側でガス供給部に接続する固定フロー
チャンネル１４ｂとに分割形成されており、可動フロー
チャンネル１４ａは、サセプタ１１を覆う偏平な箱状
に、固定フローチャンネル１４ｂは、上流側のガス供給
部との接続部から下流側の可動フローチャンネル１４ａ
との接続部にかけて扇型に拡開する偏平な角筒状に形成
されている。

【００１６】上記固定フローチャンネル１４ｂの内部に
は、該フローチャンネル１４ｂ内を上下に仕切る水平方
向の仕切板１９が設けられており、この仕切板１９によ
って下部側流路２０と上部側流路２１とが区画形成され
ている。基板に近い側の下部側流路２０には、前記原料
ガス供給部１３が接続されており、原料ガスは、この下
部側流路２０を通って基板１２の表面に平行な流れとな
るように供給される。また、上部側流路２１には、原料
ガスと異なる種類のパージガスを供給するパージガス供
給部２２が接続されており、パージガスは、この上部側
通路２１から層流状態で可動フローチャンネル１４ａ方
向に流れ、その天井面に沿った流れとなるように供給さ
れる。

【００１７】さらに、前記可動フローチャンネル１４ａ
におけるサセプタ上流側の下面には、温度調節可能な冷
却手段２３が設けられている。この冷却手段２３は、可
動フローチャンネル１４ａの下面に接するように設けら
れた箱型の冷却容器２４と、該冷却容器２４内に冷却用
流体を導入する導入配管２５と、冷却用流体を導出する
導出配管２６とを有するもので、冷却容器２４内に所定
温度の冷却用流体を供給することにより、可動フローチ
ャンネル１４ａの下面を所定温度に冷却できるように形
成されている。

【００１８】また、冷却温度を所定温度に調節保持する
ための手段として、冷却容器２４部分には熱電対等の温
度測定手段が設けられるとともに、冷却容器２４に導入
する冷却用流体の温度を調整するために恒温槽等の温度
制御手段が設けられている。冷却用流体としては、空気
を使用して冷却後は外部に排出するようにしてもよい
が、水や低蒸気圧のオイル等の液体を用いることが好ま
しく、恒温槽を介して循環使用することがより好まし
い。

【００１９】冷却手段２３によるフローチャンネル下面
の冷却温度は、半導体膜の成長条件、即ち原料ガスの種
類や流量、サセプタ１１及び基板１２の温度等の成膜条
件に応じて最適な条件に設定することができ、成膜操作
中に温度を変化させることも可能である。

【００２０】このように、上流側のフローチャンネル内
を仕切板によって上下に仕切り、下部側流路２０に原料
ガスを、上部側流路２１にパージガスを流すことによ
り、原料ガスを高速で流すことができ、成長速度の著し
い低下やガス流れ方向の成長速度分布の発生を抑制でき
るとともに、サセプタ１１に対向するフローチャンネル
天井面への反応生成物の堆積を防止することができ、パ
ーティクルの発生に伴う膜質の劣化や、流路断面積が変
化することによる膜質再現性の劣化を生じることがな
い。また、天井面の清浄化が保たれることにより、フロ
ーチャンネル上方から光学的に温度や膜厚を観測するこ
とも可能となる。

【００２１】そして、サセプタ上流側のフローチャンネ
ル下面を冷却手段２３によって冷却することにより、サ
セプタ１１の上流側における原料ガスの分解速度を下げ
ることができ、原料ガスを高速流で供給しても、サセプ
タ１１の上流端部分等で極端に成長速度が上昇すること
がなくなる。したがって、大気圧下でＧａＮ系の膜成長
を行う場合でも、均一で良好な膜質の半導体膜を再現性
良く得ることができる。また、天井面やサセプタ上流端
への堆積による原料ガスの無駄な消費を抑制できるの
で、原料ガスの消費量を低減させることができ、生産性
の向上も図れる。

【００２２】図３は、上記形態例で示した構造の気相成
長装置を使用して大気圧下で成長させたＡｌＧａＮ膜の
膜厚分布の一例を、図６に示す従来例装置で成長させた
ものの膜厚分布と比較して示すものである。この図から
明らかなように、従来のものでは、サセプタ上流側の成
長速度の増加を、サセプタを回転させることにより平均
化させようとした結果、サセプタ外周での膜厚が厚くな
っているが、本形態例装置では、膜厚が均一化されてい
ることがわかる。また、略同じ原料ガス流量で成長させ
たにもかかわらず、本形態例装置で得られたものは膜厚
が厚く、原料ガスの使用効率が向上していることがわか
る。

【００２３】図４及び図５は、冷却手段２３の冷却容器
２４との熱伝導等によりサセプタ１１の外周部の温度が
低下し、基板１２上に堆積する膜質や膜厚に分布を生じ
ることを防止するための形状例を示すものである。ま
ず、図４に示すものは、サセプタ１１の外周部裏面に熱
遮断部となる周状溝３１を設けて伝熱量を低減させたも
のであり、図５に示すものは、サセプタ１１を、円盤状
のサセプタ本体１１ａと、該サセプタ本体１１ａを収納
する受皿状のサセプタ収納体１１ｂとに分割形成し、サ
セプタ１１の外周と内周とを機械的に分離して熱的に遮
断するようにしたものである。

【００２４】このようにしてサセプタ外周と内周とを熱
的に遮断することにより、サセプタ１１の加熱温度と冷
却容器２４との温度差が大きい場合でも、基板１２の温
度が低下することがなくなり、所定の膜質及び膜厚で良
好な半導体膜を成長させることができる。

【００２５】前記パージガス供給部２２から供給するパ
ージガスとしては、膜成長に悪影響を与えなければ任意
の組成のガスを使用することができるが、通常は、水
素，窒素，アルゴンのように、この種の気相成長におい
てパージガスやキャリアガスとして用いられているガス
を使用することが好ましい。これらのガスは、それぞれ
単独で使用してもよく、二種あるいは三種を適宜に混合
して用いることができる。

【００２６】さらに、これらガスの流量や混合比を適宜
に設定してパージガスの熱容量や熱伝導率を調節するこ
とにより、サセプタ１１部分に流入するガスの温度を調
節することができ、より望ましい状態での成膜操作を行
うことができる。

【００２７】すなわち、前述の冷却手段２３では、その
熱容量等の制約から、温度を迅速に変化させることが困
難であるため、成長温度の異なる成長膜を連続して成膜
するようなときには、上述のようにパージガスの流量や
組成を変化させることによってサセプタ入口近傍におけ
るガスの温度を最適な温度に調節することができる。

【００２８】例えば、水素の熱伝導率は１７．３９ｍＷ
／（ｍ・Ｋ）であり、窒素の熱伝導率は２．３９ｍＷ／
（ｍ・Ｋ）であるから、水素を単独でパージガスとして
使用すると、熱伝導率が大きいので原料ガスを冷却する
効果が大きく、逆に窒素は冷却効果が小さい。したがっ
て、原料ガスを迅速に冷却したい場合や冷却した方が効
果的である場合には水素を使用すればよく、水素では原
料ガスが冷えすぎて成長速度が低下するような場合には
窒素を使用すればよい。すなわち、水素と窒素とを適当
な割合で混合することにより、上記範囲で最適な熱伝導
度を有するガスを得ることができ、最適な膜質や膜厚を
得ることができる条件でサセプタ上流部の原料ガスを冷
却することができる。

【００２９】パージガスの流量や混合比の調節は、圧力
調節器や流量調節器を組合わせることによって容易に行
うことができ、原料ガスの供給やヒーター１７の出力を
制御するためのプログラムに組み込むことによって自動
的に行うこともできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の気相成長
装置によれば、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ等のＧａＮ系半
導体膜を大気圧下で成長させる場合でも、成長速度の著
しい減少や膜厚分布の発生を抑制でき、フローチャンネ
ル天井部への堆積も防止できる。したがって、成長速度
や膜厚の均一性に優れ、膜質の再現性も十分な半導体膜
を得ることができるとともに、原料ガス消費量の低減に
よって生産性の向上も図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の気相成長装置の一形態例を示す断面
正面図である。

【図２】 同じく要部の底面図である。

【図３】 ＡｌＧａＮ膜の膜厚分布の一例を示す図であ
る。

【図４】 サセプタに設けた熱遮断部の一形状例を示す
要部の断面図である。

【図５】 サセプタに設けた熱遮断部の他の形状例を示
す要部の断面図である。

【図６】 従来の気相成長装置の一例を示す断面正面図
である。

【符号の説明】

１１…サセプタ、１２…基板、１３…原料ガス供給部、
１４…フローチャンネル、１５…排気通路、１６…サセ
プタ支持軸、１７…ヒーター、１８…リフレクター、１
９…仕切板、２０…下部側流路、２１…上部側流路、２
２…パージガス供給部、２３…冷却手段、２４…冷却容
器、２５…導入配管、２６…導出配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿久津 仲男 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 (72)発明者 植松 邦全 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AC15 AC16 AC18 AF04 BB02 BB03 BB08 BB09 BB15 DP15 DQ10 DQ11 EE14 EE20 EJ03 EJ09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サセプタ上に載置した基板面に対して平
   行に原料ガスを流して気相成長を行う横型気相成長装置
   において、前記サセプタの上流側に設けられているフロ
   ーチャンネル内に水平方向の仕切板を設けて上下二層の
   ガス流路を形成し、基板側の下部側流路に前記原料ガス
   を供給し、上部側流路に原料ガスと異なるパージガスを
   供給するとともに、サセプタ上流側のフローチャンネル
   の下面に温度調節可能な冷却手段を設けたことを特徴と
   する気相成長装置。
2. 【請求項２】 前記サセプタの外周部に、熱遮断部を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 【請求項３】 前記パージガスは、水素，窒素，アルゴ
   ンのいずれか一種又はこれらの二種以上の混合ガスであ
   り、パージガス供給部には、供給するパージガスの流量
   を調節する流量制御手段及びこれらのガスの混合比を調
   節する混合比制御手段が設けられていることを特徴とす
   る請求項１記載の気相成長装置。