JP2004253414A

JP2004253414A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2004253414A
Application number: JP2003039069A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Nagai; 久隆永井; Takeshi Kurosu; 健黒須
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】取っ手がなく、且つ真空吸着パッドで吸引保持できる均熱板を備えた横型気相成長装置を提供すること。
【解決手段】反応管１内部に臨んで設けられると共に、基板３の表側を下向きにした状態で基板３を収納し支持するための開口７を有するサセプタ２と、このサセプタ２の開口７内に収納支持された基板３の裏側に重ねて設けられる均熱板４０と、上記基板、上記均熱板、および上記サセプタを加熱するための加熱手段５とを備えた横型気相成長装置において、上記均熱板４０の上面を平坦に形成すると共に、その均熱板４０の内部に、面的に拡がる空洞４１を、均熱板の裏面に対接させる真空吸着パッド１０より大きい面規模で設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱した基板上に原料ガスを供給し、原料ガスを加熱分解して基板上に化合物半導体結晶を気相成長する横型の気相成長装置、特に基板を均一に熱するために基板に隣接してセットされる均熱板の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体結晶を用いたＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＢＴ（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、シリコン半導体に比べて電子移動度が高いため、近年携帯電話や衛星放送受信機などの高速動作や高効率が要求される高周波機器の増幅器などに幅広く使用される。
【０００３】
この化合物半導体結晶を成長する方法の一つに有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ、以下ＭＯＶＰＥ法）がある。ＭＯＶＰＥ法は、ＩＩＩ族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。
【０００４】
従来の横型気相エピタキシャル成長装置の模式図を図１０に示す。図１０に示すように、従来の横型気相エピタキシャル成長装置９は、両端にガス導入口１ａおよびガス排気口１ｂを備えたガス整流管から成る反応管１と、反応管１内部に臨んで設けられると共に、基板３の表側を下向きにした状態で基板３を収納し支持するための開口７を周方向に複数個有するサセプタ２と、このサセプタ２の開口内に収納支持された基板３の裏側に隣接して設けられる均熱板４と、上記サセプタ２の上方に設けられ、上記基板、上記均熱板、および上記サセプタを加熱して原料ガスＧを熱分解させるためのヒータ（加熱手段）５と、サセプタ２を回転可能に支持するためのモータ（回転手段）６を備えたものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
サセプタ２は図５に示すように円板形をしており、その円板面内には同一円上に均等に４つの円形の開口７がサセプタを上下に貫いて設けられ、各々の開口７内には、ウェハから成る半導体基板３がその表面を下にして収納配置され、更にその上に均熱板４が重ねられて収納配置される。この半導体基板３を開口７内に載置し支持する構造を得るため、開口７の下面周縁部には、図６に示すように開口７の中心方向に張り出した段差（内向爪）が基板支持部８として一体に形成されており、半導体基板３は、この基板支持部８に外周部が支えられて開口７の下面に保持される。
【０００６】
このように横型気相成長装置９では、半導体ウェハから成る基板３を保持するために、図５のようにウェハ形状に合わせたくりぬき（開口７）を有するサセプタ２を用いる。サセプタ２のくりぬき部分たる開口７内にウェハを載せ、ウェハの上には均熱板４を載せる。均熱板４を使用する目的は、ヒータ５によってサセプタ全体が加熱されており、その熱を均熱板４を通して均等にウェハに伝えることにある。
【０００７】
従来技術では図５のように均熱板４を移動するための取っ手４ａが、均熱板４の中心部に突設されている。図６は従来技術の均熱板を用いた横型気相成長装置の部分断面図である。均熱板４の目的は熱を均等に伝えることにあるが、図６のように取っ手４ａが付いていると取っ手部分の温度が低くなってしまう。
【０００８】
図６の従来技術の均熱板を用い、ｎ型のＧａＡｓ（ガリウムヒ素。以下ｎ−ＧａＡｓと略す）を結晶成長した場合、キャリア濃度の分布は図７のようになる。横軸はウェハ（基板）中心からの距離（ｍｍ）で測定位置を示し、縦軸のキャリア濃度の単位はｍ^−３である（以下キャリア濃度の単位は同じ）。なお、濃度の表記方法は、例えば「３．０Ｅ１１」で３．０×１０^１１ｍ^−３を表す。
【０００９】
ここで、Ｇａ（ガリウム）原料としては、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）を用いた。Ａｓ（ヒ素）原料としては、ＡｓＨ_３（アルシン）を用いた。ｎ型ドーパントにはＳｉ（シリコン）を用い、Ｓｉ原料にはＳｉＨ_４（モノシラン）を用いた。原料ガスの流量は、Ｇａ（ＣＨ_３）_３＝５．３ｃｍ^３／分、ＡｓＨ_３＝２１２ｃｍ^３／分、ＳｉＨ_４＝１．４×１０^−５ｃｍ^３／分である。
【００１０】
従来技術の取っ手付の均熱板を用いた場合、中心部分のキャリア濃度が少ないため、面内のばらつきが±３．４％と大きくなっている（図７参照）。ばらつきは、（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）×１００で計算した（以下、ばらつきの計算方法は同じ）。
【００１１】
中心部分のキャリア濃度が少なくなった理由は、図６のように均熱板中心部に取っ手４ａが付いており、このため、ウェハ中心部分の温度が低くなり、ウェハ中心部でのｎ型ドーパントであるＳｉＨ_４が分解しにくくなり、その結果、ドーパントであるＳｉがＧａＡｓ結晶中に入りにくくなったためである。
【００１２】
このように均熱板に取っ手がある場合、その部分の温度が低くなり、結晶の特性のばらつきが大きくなり、歩留まり低下を引き起こしてしまう。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−８７２５２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術では、均熱板を移動するための取っ手を均熱板に加工しているため、取っ手部分の温度が下がり、成長させた半導体結晶の特性のばらつきがウェハ面内で大きくなり、歩留まりが低下してしまうという問題が発生する。
【００１５】
この問題は、図８のように取っ手を取り除き、上面を平坦にしてしまえば、均熱板の温度を均一にすることができ、解決されるものと考えられる。
【００１６】
しかしながら、この場合、取っ手がないため、基板の取り出しやセットを行う際には、均熱板を図９のように真空吸着パッド１０で吸引保持する必要がある。このとき、一般的に均熱板にはカーボンを用いていることが多く、カーボンは空気を通す性質があるため、真空吸着パッド１０を使用して引き上げようとすると、図９のように均熱板４に基板３が真空吸着されてしまうため、均熱板４だけを吸引保持することはできない。つまり、従来技術では、均熱板に必ず取っ手を取り付ける必要があるため、結晶の特性ばらつきが大きくなるという問題を解決することができない。
【００１７】
要するに、成長した半導体結晶の特性を均一にするためには、均熱板の温度分布を均一にする必要がある。従来技術では取っ手があるためにその部分の温度が低くなっている。故に、取っ手のない均熱板であって吸引保持できる均熱板の提供が望まれている。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、取っ手のない均熱板であって真空吸着パッドで吸引保持できる均熱板を備えた横型気相成長装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２０】
請求項１の発明に係る気相成長装置は、反応管内部に臨んで設けられると共に、基板の表側を下向きにした状態で基板を収納し支持するための開口を有するサセプタと、このサセプタの開口内に収納支持された基板の裏側に重ねて設けられる均熱板と、上記基板、上記均熱板、および上記サセプタを加熱するための加熱手段とを備えた横型気相成長装置において、上記均熱板の上面を平坦に形成すると共に、その均熱板の内部に、面的に拡がる空洞を、均熱板の裏面に対接させる真空吸着パッドより大きい面規模で設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１記載の気相成長装置において、上記均熱板の空洞が、均熱板内の厚み方向の裏面（上面）に近い側に、面的に拡がる空洞として設けられていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の気相成長装置において、上記均熱板の材質がカーボンであることを特徴とする。
【００２３】
＜発明の要点＞
従来技術では、図６に示すように、均熱板に取っ手が存在していたため、その部分の温度が下がり、基板上に結晶成長した半導体結晶の特性のばらつきが大きくなり、歩留まりが低下するという問題があった。この問題は、図８のように取っ手を取り除いてしまえば解決されるが、この場合、基板の取り出しやセットを行う際には、真空吸着パッド１０を使用して均熱板を引き上げる必要がある。しかし、均熱板がカーボン製であると、カーボンは空気を通す性質があるため、図９のように均熱板４に基板３が真空吸着され、均熱板４だけを保持することができない。
【００２４】
本発明では、均熱板の内部に、面的に拡がる空洞を、均熱板の裏面に対接させる真空吸着パッドより大きい面規模で設ける。かかる空洞を設けることにより、均熱板がカーボン製であっても、真空吸着パッドを使用して均熱板だけを吸着できるようになる。
【００２５】
また本発明では、均熱板の上面が平坦であり取っ手が存在しないことから、均熱板の温度分布が均一になる。均熱板の温度を均熱にすることにより、その下の基板に熱が均一に伝わる。その結果、基板上に結晶成長させた半導体結晶の特性が均一になり、歩留まりを向上させることができる。
【００２６】
本発明において、上記均熱板の空洞は、均熱板内の厚み方向の裏面に近い側に、面的に拡がる空洞として設けることが好ましい。これは、空洞より下を厚肉部として形成し、均熱板の本来の作用を確保するためである。また、これにより空洞より上が薄肉部として形成される結果、そこでのエア又はガスの通過が厚肉部側より多くなり、均熱板のみを吸引保持するという作用効果を確実にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２８】
前提となる気相エピタキシャル装置の構成は、均熱板の構造を除いて、図１０のものと同じである。すなわち、原料ガス導入口１ａからガス排気口１ｂへ原料ガスが流通する反応管１の上部壁に板状のサセプタ２を設け、これを回転手段たるモータ６で回転可能とすると共に、このサセプタ２に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板３とほぼ同じ形状に開口７を開け、このサセプタ２に開けた開口７内に基板３の表面を下向きに収納し、下面を反応管内部に露出させた状態で支持すると共に、上記基板３及びサセプタ２を上方から加熱する加熱源たるヒータ５に面して上記開口７に均熱板４０をはめ込んで、基板３に均熱板４０を隣接させた構成となっている。この均熱板４０の材質はカーボンから成る。
【００２９】
本実施形態に係る均熱板４０の構造を図１に示す。この図１はサセプタ２と均熱板４０の部分の概略的な断面図である。
【００３０】
従来技術の均熱板４の場合には図６のように取っ手４ａが存在したが、本実施形態における均熱板４０には図６のような取っ手は存在せず、その代わりに均熱板４０の内部には、空洞４１が設けられている。この空洞４１は、均熱板４０の内部において面的に拡がっており、その面規模は、均熱板４０を取り外す際にその裏面に対接させる真空吸着パッド１０より大きく設定されている。
【００３１】
本実施形態の場合、空洞４１は、均熱板４０の内部において、ほぼ均熱板４０の表面又は裏面に沿って均熱板の外周面近くまで面的に拡がっており、またその均熱板内の厚み方向の位置は、均熱板内の厚み方向の裏面（上面）に近い側に、面的に拡がる空洞として存在するように設けられている。
【００３２】
かかる空洞４１を有する構造の均熱板４０は、具体的には、２個の部品をねじ止めすることによって容易に作製することができる。すなわち、図２に示すように、上面に空洞４１を形成するための凹部４３を形成したカーボン製の円柱状の均熱板本体４２と、カーボン製の円板状のカバー板４４とを用意し、このカバー板４４を均熱板本体４２の凹部４３を被って均熱板本体４２と一体に重ね合わせ、ネジ４５によって一体化することで、容易に作製することができる。
【００３３】
上記のように構成した本実施形態の均熱板では、図３のように、真空吸着パッド１０を使用し、開口７内から、均熱板４０のみを吸引保持して引き上げることができる。すなわち、開口７内に基板３と均熱板４０が上下に重ね合わさって位置している状態において、真空吸着パッド１０を均熱板４０の表面に対接させると、吸引するエアー又はガスは、大部分が、空洞４１の上壁である薄肉部４０ａから空洞４１を通って真空吸着パッド１０へと流れることとなり、空洞４１の下壁である厚肉部４０ｂから空洞４１を通って真空吸着パッド１０へと流れる流量は僅かとなる。このため、基板３が一緒に吸引保持されることはなく、均熱板４０のみを吸引保持して引き上げることができる。
【００３４】
図１の均熱板を使用した横型気相成長装置により、実際にｎ−ＧａＡｓ結晶を成長し、ウェハ（基板）中心から１０ｍｍずつ離れた位置におけるキャリア濃度を測定した。測定結果を図４に示す。従来技術では図７に示したように、キャリア濃度のばらつきが±３．４％と大きかったが、本実施形態では、取っ手を除去した均熱板４０を用いていることにより、図４のように、キャリア濃度のばらつきを±０．７％と非常に小さくすることができた。
【００３５】
なお、ｎ−ＧａＡｓ結晶を成長する際、Ｇａ（ガリウム）原料としては、Ｇａ（ＣＨ_３）_３を用いた。Ａｓ（ヒ素）原料としては、ＡｓＨ_３を用いた。ｎ型ドーパントにはＳｉＨ_４を用いた。原料ガスの流量は、Ｇａ（ＣＨ_３）_３＝５．３ｃｍ^３／分、ＡｓＨ_３＝２１２ｃｍ^３／分、ＳｉＨ_４＝１．４×１０^−５ｃｍ^３／分である。
【００３６】
上記実施形態では、ガスが反応管の一側から他側に向かって一方向に流れ、且つ基板がサセプタの開口内にフェイスダウンで設けられるタイプ（横型フェイスダウン）の横型気相成長装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、下から上に向かうガスがサセプタ中央から半径方向外側に流れ、且つ基板がサセプタの開口内にフェイスダウンで設けられるタイプ（自転公転型フェイスダウン）の横型気相成長装置についても適用することができる。
【００３７】
また、上記実施形態では、サセプタの開口内において、サセプタの肉厚内に基板及び均熱板が収まってしまう形態について説明したが、本発明は、これに限らず、均熱板の一部がサセプタの肉厚外に突出する形態についても適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、均熱板の内部に、面的に拡がる空洞を、均熱板の裏面に対接させる真空吸着パッドより大きい面規模で設けているため、均熱板が空気を通す性質の有るカーボンからできていても、この空洞を通して均熱板に基板が真空吸着され、その下方の基板は吸着されなくなる。従って、真空吸着パッドより均熱板だけを吸引保持することができる。
【００３９】
また、従来技術では、均熱板の中心部に取っ手がついており、取っ手部分の温度が下がってしまうため、キャリア濃度のばらつきが±３．４％と大きくなってしまうという問題点があったが、本発明では、均熱板の上面を平坦に形成し、均熱板から取っ手をなくしているため、均熱板の温度を均一にすることができ、成膜した半導体のキャリア濃度のばらつきを±０．７％と非常に小さくすることができる。従って、本発明によれば、成長する半導体結晶の特性ばらつきを小さくし、生産歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置における均熱板の部分を示す縦断面図である。
【図２】本発明の気相成長装置における均熱板の製作例を示す斜視図である。
【図３】本発明の気相成長装置における均熱板を真空吸着パッドで引き上げた状態を示す縦断面図である。
【図４】本発明の気相成長装置で成長したｎ−ＧａＡｓのウェハ面内のキャリア濃度の測定結果を示す図である。
【図５】従来技術に係るサセプタ、ウェハ及び均熱板を示す斜視図である
【図６】従来技術の気相成長装置における均熱板の部分を示す縦断面図である。
【図７】従来技術の気相成長装置で成長したｎ−ＧａＡｓのウェハ面内のキャリア濃度の測定結果を示す図である。
【図８】従来技術の気相成長装置における均熱板の部分を示す縦断面図である。
【図９】従来技術の気相成長装置における均熱板を真空吸着パッドで引き上げた状態を示す縦断面図である。
【図１０】従来技術の気相成長装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１反応管（ガス整流管）
２サセプタ
３基板
５ヒータ（加熱手段）
６モータ（回転手段）
７開口
８基板支持部
１０真空吸着パッド
４０均熱板
４１空洞

Claims

反応管内部に臨んで設けられると共に、基板の表側を下向きにした状態で基板を収納し支持するための開口を有するサセプタと、このサセプタの開口内に収納支持された基板の裏側に重ねて設けられる均熱板と、上記基板、上記均熱板、および上記サセプタを加熱するための加熱手段とを備えた横型気相成長装置において、
上記均熱板の上面を平坦に形成すると共に、その均熱板の内部に、面的に拡がる空洞を、均熱板の裏面に対接させる真空吸着パッドより大きい面規模で設けたことを特徴とする気相成長装置。
請求項１記載の気相成長装置において、
上記均熱板の空洞が、均熱板内の厚み方向の裏面に近い側に、面的に拡がる空洞として設けられていることを特徴とする気相成長装置。
請求項１又は２記載の気相成長装置において、
上記均熱板の材質がカーボンであることを特徴とする気相成長装置。