JP2004349492A

JP2004349492A - 窒化物の気相成長装置

Info

Publication number: JP2004349492A
Application number: JP2003145187A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Mita; 一登三田; Haruo Sunakawa; 晴夫砂川
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】作業能率を低下させることなく、数百μｍの厚膜の窒化物を高速で、かつ均一性良く気相成長させる。
【解決手段】反応管２にアンモニアを導入する水素化物導入管３と、反応管２内の上流側に配置された生成管４に、ガリウムを収容するソースボート５とソースボート５に反応気体を導入する反応気体導入管６とソースボート５にガリウムを補充する金属源補充管７とを設けた塩化ガリウムの生成手段と、反応管２内の下流側に配置された基板ホルダー１９とを備えた窒化物の気相成長装置において、ソースボート５を、反応気体導入管６が接続された半密閉構造の反応室８と、金属源補充管７が接続された充填室９と、反応室８と充填室９とをガリウムの最低使用液面以下の位置で連通する連通室１０とで構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業能率を低下させることなく、数百μｍの厚膜の窒化物を高速で、かつ均一性良く気相成長させ、欠陥の少ない結晶を安定して得ることのできる窒化物の気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶は、紫外から緑色の発光素子、レーザ素子用の材料、高出力・高周波用電子デバイス用の材料として注目を受けている。これらのデバイス構造を作製するには、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法が用いられている。高速で高品質の窒化ガリウム単結晶を得るためにはＨＶＰＥ法が適している。
【０００３】
従来のＨＶＰＥ法で用いられている気相成長装置には、図７に示すような構成のものがある（特許文献１参照）。
この気相成長装置５１は、窒化ガリウム単結晶を得るため、反応管５２にアンモニアを導入する水素化物導入管５３と、反応管５２の上流側に設けられ反応気体導入管５４からのガスとソースボート５６に収容したガリウムとの反応により塩化ガリウムを生成するガリウム化合物の生成管５５と、反応管５２の下流側に設けられ基板６３を垂直面内で回転可能に支持する基板ホルダー６２とを備えている。
【０００４】
ソースボート５６の上部には蓋５７とガリウム化合物の吹出し窓５８が設けられており、ソースボート５６の下部には収容するガリウムの表面積を増加させるための仕切り板５９が設けられている。生成管５５の下流側にはガリウム化合物の吹出し口６１が設けられている。この吹出し口６１は、断面積が下流側に向かって次第に減少している。
【０００５】
生成管５５の吹出し窓５８と吹出し口６１との間には、塩化ガリウムの流出状態を整えると共に、吹出し口６１から生成管５５内にアンモニアが逆流するのを防ぐためのバッファ板６０が設けられている。
反応管５２には、基板ホルダー６２より下流側に排気口６４が設けられている。
反応管５２の外側にはソースボート５６を加熱する第一の加熱手段６５と、基板６３を加熱する第二の加熱手段６６とが配置されている。反応管５２は断熱材６７で覆われている。
この気相成長装置５１を用い、ＨＶＰＥ法で窒化ガリウムを生成する際は、以下の手順による。
【０００６】
（１）反応管５２にキャリアガス（水素ガス、窒素ガス）を導入し、反応管５２が６００℃程度になるまで昇温する。
（２）水素化物導入管５３へのアンモニア導入を開始し、反応温度（ソースボート５６が約８５０℃、基板６３が約１０５０℃）で安定するまで保持する。
（３）反応気体導入管５４への塩化水素導入を開始し、基板６３上に窒化ガリウムが所定厚さになるまで成長させる。
このとき、ガリウム化合物の生成管５５内では、
２ＨＣｌ＋２Ｇａ→２ＧａＣｌ＋Ｈ_２
反応管５２内では、
ＮＨ_３＋ＧａＣｌ→ＧａＮ＋Ｈ_２＋ＨＣｌ
の反応が進行する。
【０００７】
（４）窒化ガリウムが所定厚さになったら、塩化水素の導入を停止しキャリアガスを流しながら、加熱手段６５、６６を停止し、反応管５２が室温になるまで降温させる。途中、温度が６００℃まで降下したらアンモニアの導入を停止する。
（５）生成管５５内への窒素ガス導入を続けながら、基板ホルダー６２を反応管５２の下流側から抜き出して基板６３を外し、一旦基板ホルダー６２を反応管５２内に挿入する。なお、窒素ガスの導入はソースボート５６のガリウムが外気に触れて酸化するのを防止するためである。
【０００８】
（６）反応管５２に塩化水素を導入し、１０００℃以上の温度で保持することにより管壁に析出した窒化ガリウムを除去（ベーキング処理）する。この作業は、石英製の反応管５２の内壁に窒化ガリウムが成長して応力割れを起こすのを防止するために行うものであり、ベーキング処理の時間は窒化ガリウムの成長時間に略比例する。
（７）生成管５５内への窒素ガス導入を続けながら、基板ホルダー６２を反応管５２の下流側から抜き出して新たな基板６３を装着する。
【０００９】
以後、上記（１）から（７）までの操作をソースボート５６のガリウムが消費されて補充が必要になるまで繰り返す。
この気相成長装置５１では、ソースボート５６で溶融したガリウムと反応気体導入管５４から導入される塩化水素ガスが反応して塩化ガリウムを生成するが、ガリウムの液面と反応気体導入管５４との間の距離が変化すると塩化ガリウムの生成に影響を及ぼす。
【００１０】
具体的には、両者の間の距離が大きくなるほど反応効率が低下し、塩化ガリウムの生成量が減少して未反応の塩化水素が増加する。従って、基板６３上での窒化ガリウムの成長が不安定となり成長速度が低下する。この傾向は窒化ガリウムの成長が２００〜３００μｍ／ｈというような高速成長の場合に顕著に現れる。よって、ソースボート５６内のガリウムが消費され、液面が所定の高さまで低下した時点でガリウムの補充を行う。
【００１１】
標準的なサイズの気相成長装置５１では、ガリウムの補充のタイミングは、累積成長時間２５〜３５時間につき１度の割合となっている。
ガリウムの補充作業では、ガリウム化合物の生成管５５の上流側に設けられ生成管５５内を外気から遮断するフランジ部材（図示略）、反応気体導入管５４及び蓋５７を分解し、ソースボート５６を生成管５５の開口部付近まで移動させた後、ソースボート５６上にガリウムを供給する。
また、他の作業方法として、反応気体導入管５４内に、その内径より外径の小さい金属源供給管（図示略）を挿通し、この金属源供給管にガリウムを流し込みソースボート５６に供給することもある。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−１８１０９７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガリウムの補充作業は、石英部品の分解・移動・組み付けなど、常に破損を生じないよう注意しながら慎重に行わねばならない作業であり、相当の作業時間も要することから、作業者にとっては大きな負担となっていた。
また、ソースボート５６にガリウムを補充する場合、補充の最中にガリウムと共に外気がソースボート５６内に流入し、ガリウムの液面が酸化してしまう。仮に、金属源供給管を反応気体導入管５４と別個に設け、反応気体導入管５４から窒素ガスを導入し続けるようにしても、ガリウムと共に外気が流入するのは避けられず、液面の酸化を完全に防ぐことはできない。
【００１４】
そのため、ソースボート５６にガリウムを補充した後は、上記（１）〜（７）の作業工程とは別に、反応気体導入管５４に水素ガスを導入し、反応温度で保持してガリウムの酸化膜を還元除去（ベーキング処理）するという約５〜６時間の工程が別途必要となる。
従って、ガリウムの補充とその後のベーキング工程の頻度が多いと、作業能率が大幅に低下する。
【００１５】
なお、ソースボート５６の水平断面積を大きくすれば、同等のガリウム消費量に対する液面の低下量を少なくしガリウムの補充頻度を少なくすることができる。しかし、仮に、ソースボート５６を反応管５２の径方向に広げると、反応管５２の径を拡大しなければならず、装置全体が大掛かりとなるので現実的ではない。また、ソースボート５６を反応管５２の長手方向に延長すると、ソースボート５６全体を均熱状態に保つため第一の加熱手段６５を延長しなければならず、長大なヒーターの使用が必要となり、加熱に要するエネルギーも増大するので好ましくない。
【００１６】
このように、従来の気相成長装置５１では、窒化ガリウムの成長を安定させるためにはガリウムの補充を頻繁に行う必要があり、ガリウムの補充を頻繁に行うと作業能率が低下するという問題があった。
本発明は、気相成長装置における上記課題を解決するものであって、作業能率を低下させることなく、数百μｍの厚膜の窒化物を高速で、かつ均一性良く気相成長させ、欠陥の少ない結晶を安定して得ることのできる窒化物の気相成長装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、反応管に水素化物を導入する水素化物導入管と、反応管内の上流側に配置された生成管に、金属源を収容するソースボートとソースボートに反応気体を導入する反応気体導入管とソースボートに金属源を補充する金属源補充管とを設けたＩＩＩ族元素のハロゲン化物生成手段と、反応管内の下流側に配置された基板支持手段とを備えた窒化物の気相成長装置において、ソースボートを、反応気体導入管が接続された半密閉構造の反応室と、金属源補充管が接続された充填室と、反応室と充填室とを金属源の最低使用液面以下の位置で連通する連通室とで構成している。
【００１８】
ソースボートは、反応室、充填室及び連通室で構成されているので、水平断面積が増加する。従って、ガリウム等の金属源の消費量に対する液面の低下量が少なく、金属源の補充が必要となる位置まで液面が低下するのに要する金属源の消費量は従来と比較して増加するので、金属源の補充する頻度を少なくでき作業能率が向上する。このとき、反応気体と金属源との反応は反応室内でしか行われないので、従来どおりの金属ハロゲン化物の生成が可能である。
【００１９】
充填室を密閉構造とすると、金属源補充の際に補充される金属源に伴って外気が流入するのは充填室に限られることになる。外気が反応室まで到達しないので、反応室内の金属源の表面が酸化されずに済み、金属源補充後のベーキング工程を省くことができるので作業能率はさらに向上する。
ソースボートの反応室と充填室と連通室とを、上流側から下流側へ充填室、連通室、反応室の順に配列し、連通室の外周に生成管内の雰囲気の下流側から上流側への逆流を防止するバッフル板を設け、反応室が均熱帯となるよう熱源を配置すると、バッフル板によって反応室の区画と充填室の区画とを遮断でき、均熱帯を反応室の区画のみに設定しても金属ハロゲン化物の生成に支障を来さないので、熱源に要する消費エネルギーを低減できる。
【００２０】
充填室の前端を反応管を覆う断熱材の外側へ延出させると、成長中でもソースボート内の金属源の残量を確認することができる。
反応管外に金属源供給手段を設けて金属源補充管と接続すると共に、充填室の金属源の液面を監視する監視手段を設け、液面の低下に応じて金属源を充填室に補充するよう構成することにより、充填室への金属源の補充を自動化することが可能となる。
ソースボートの底面と生成管の内壁底部との間に形成される空間内に、ソースボートを支持するローラ装置を設けると、清掃作業等でソースボートを生成管から出し入れする際に容易に移動させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である窒化物の気相成長装置の構成図、図２はソースボートの縦断面図、図３はソースボートの平面図、図４は図２のＡ−Ａ線断面図、図５は図２のＢ−Ｂ線断面図である。
気相成長装置１は、反応管２にアンモニアを導入する水素化物導入管３と、反応管２内の上流側に配置され塩化ガリウムを生成する生成管４と、反応管２内の下流側に配置され、基板２０をガス流に対向させ、かつ、垂直面内で回転可能に支持する基板ホルダー１９とを備えている。
【００２２】
生成管４には、ガリウムを収容するソースボート５とソースボート５に反応気体を導入する反応気体導入管６とソースボート５にガリウムを補充する金属源補充管７とが設けられている。
ソースボート５は、断面がほぼ方形で底部を逆台形状とし上方を開口した壁部材５Ａを全長に亙って一体成形し、上端を天板１１、１０Ａ、１３で覆い、上流側端面にバッフル板１４Ａ、下流側端面にバッフル板１４Ｂを設けて外部と区画し、中間部に複数枚のバッフル板１４を互いに所定距離離隔して設けることにより、上流側から充填室９と連通室１０と反応室８とを形成している。
【００２３】
連通室１０の天板１０Ａの高さは、収容するガリウムの最低使用液面より低く設定されており、反応室８のバッフル板１４Ｂには反応室８で生成された塩化ガリウムを吹き出す吹出し窓１２が開口しているので、ソースボート５内に所定量のガリウムを収容することで、充填室９内の気室は密閉状態、反応室８内の気室は半密閉状態となる。
反応室８と充填室９の長さは略等しく、充填室９の上流側端部は、反応管２全体を覆っている断熱材２４よりも外側へ延出している。
【００２４】
反応室８内にはガリウムの表面張力を利用して反応ガスとの接触面積を増大させるための仕切板１５を備えている。
バッフル板１４Ａ、１４Ｂの形状は、生成管４の内径より若干小径の円形で、下部を壁部材５Ａの底部に合わせて切り欠いている。バッフル板１４の形状は、生成管４の内径より若干小径の円形で、壁部材５Ａに合わせたスリットを形成し、下部を天板１０Ａの上面に密接するように切り欠いている。
【００２５】
バッフル板１４Ａには反応気体導入管６及び金属源補充管７が挿通され、バッフル板１４には反応気体導入管６が挿通されて、それぞれ溶接固定されている。また、バッフル板１４Ａ、１４、１４Ｂにはキャリアガスの導通管（図示略）が抜差し可能に挿通されており、必要に応じてドーパントガスの導通管（図示略）が抜差し可能に挿通される。
【００２６】
ソースボート５の壁部材５Ａの底面と生成管４の内壁底部との間に形成される空間内には、ソースボート５を支持するローラ装置１６が設けられている。ローラ装置１６は、全長がソースボート５と略等しい枠体１６Ａに複数のローラ１６Ｂを回転自在に保持したものであり、ローラ１６Ｂの転動により、ソースボート５を後端のバッフル板１４Ｂが生成管４に固設されたストッパ４Ｂに当接するまで移動させることができる。ソースボート５を生成管４内に装入するときには、ストッパ４Ｂに当接するまで移動させた後、ソースボート５の前端のバッフル板１４Ａを抜差し可能なストッパ４Ａで固定する。
【００２７】
生成管４の下流側には塩化ガリウムの吹出し口１８が設けられている。この吹出し口１８は、断面積が下流側に向かって次第に減少している。
生成管４の吹出し窓１２と吹出し口１８との間には、塩化ガリウムの流出状態を整えると共に、吹出し口１８から生成管４内にアンモニアが逆流するのを防ぐためのバッファ板１７が設けられている。
【００２８】
反応管２には、基板ホルダー１９より下流側に排気口２１が設けられている。
反応管２の外側にはソースボート５の反応室８を加熱する第一の加熱手段２２と、基板２０を加熱する第二の加熱手段２３とが配置されている。
第一の加熱手段２２は、反応室８内が塩化ガリウムの生成に好適な温度７００℃〜９５０℃の均熱帯となるよう配置されており、好ましくは８００℃〜９００℃でソースボート５の加熱を行う。反応室８内で生成された塩化ガリウムは、吹出し窓１２からバッファ板１７、吹出し口１８を経て反応管２の窒化ガリウムの成長領域へ供給される。
【００２９】
窒化ガリウムを成長させる基板２０は、基板ホルダー１９に取り付けられ、窒化ガリウムの成長領域に吹出し口１８に対向して配置され、第二の加熱手段２３は、この窒化ガリウムの成長領域（混合領域）でアンモニア等の窒素源の活性化を促進し、塩化ガリウムとの反応によって窒化ガリウムを成長させるように配置されている。第二の加熱手段２３によって、窒化ガリウムの成長領域は７００℃〜１１００℃に加熱される。
窒化ガリウムの成長領域で窒化ガリウムの成長反応に利用された気体の残余の部分は排気口２１から排出される。
この気相成長装置１を用い、ＨＶＰＥ法で窒化ガリウムを生成する際は、以下の手順による。
【００３０】
［１］反応管２にキャリアガス（水素ガス、窒素ガス）を導入し、反応管２が６００℃程度になるまで昇温する。
［２］水素化物導入管３へのアンモニア導入を開始し、反応温度（ソースボート５の反応室８が約８５０℃、基板２０が約１０５０℃）で安定するまで保持する。このとき、ソースボート５の充填室９では反応温度までは上昇していないが、バッフル板１４によって反応室８と充填室９は熱的な遮断状態にあるので、反応室８の温度は安定する。
【００３１】
［３］反応気体導入管６への塩化水素導入を開始し、基板２０上に窒化ガリウムが所定厚さになるまで成長させる。
このとき、生成管４の反応室８内では、
２ＨＣｌ＋２Ｇａ→２ＧａＣｌ＋Ｈ_２
反応管２内では、
ＮＨ_３＋ＧａＣｌ→ＧａＮ＋Ｈ_２＋ＨＣｌ
の反応が進行する。
ソースボート５の水平断面は従来と比較すると略２倍の面積があるので、反応が進行してガリウムが消費されても、ガリウム液面の低下は従来の約１／２である。従って、反応気体導入管とガリウム液面との間の距離の変化量が少ないので、塩化ガリウムの生成に悪影響を及ぼすことが少ない。
また、ソースボート５の充填室９の上流側端部は、反応管２を覆っている断熱材２４よりも外側へ延出しているので、ガリウムの残量を容易に確認することができる。
【００３２】
［４］窒化ガリウムが所定厚さになったら、塩化水素の導入を停止しキャリアガスのみを流しながら、加熱手段２２、２３を停止し、反応管２が室温になるまで降温させる。途中、温度が６００℃まで降下したらアンモニアの導入を停止する。
［５］生成管４内への窒素ガス導入を続けながら、基板ホルダー１９を反応管２の下流側から抜き出して基板２０を外し、一旦基板ホルダー１９を反応管２内に挿入する。なお、窒素ガスの導入はソースボート５のガリウムが外気に触れて酸化するのを防止するためである。
【００３３】
［６］反応管２に塩化水素を導入し、１０００℃以上の温度で保持することにより管壁に析出した窒化ガリウムを除去（ベーキング処理）する。この作業は、石英製の反応管２の内壁に窒化ガリウムが成長して応力割れを起こすのを防止するために行うものであり、ベーキング処理の時間は窒化ガリウムの成長時間に略比例する。
［７］生成管４内への窒素ガス導入を続けながら、基板ホルダー１９を反応管２の下流側から抜き出して新たな基板２０を装着する。
【００３４】
以後、上記［１］から［７］までの操作をソースボート５のガリウムが消費されて補充が必要になるまで繰り返す。
この気相成長装置１では、ガリウムの補充作業は、金属源補充管７にガリウムを流し込みソースボート５の充填室９まで供給するだけなので、容易に行うことができる。ガリウムの補充サイクルが延び補充作業も簡略化されるので、作業能率が向上する。
【００３５】
また、充填室９は密閉構造なので、ガリウム補充の際にガリウムに伴って外気が流入するのは充填室９のみに限られることになる。外気が反応室８に到達しないので、反応室８内のガリウム表面が酸化されずに済み、補充後のベーキング工程を省くことができるので作業能率がさらに向上する。
なお、酸化されたガリウムが微量でも反応室８内に入ることが許容されない場合には、連通室１０の充填室９側端部にシャッターによる開閉機構を設けて、反応室８のガリウムの液面レベルが所定位置まで低下した時点でシャッターを開き、充填室９内のガリウムを反応室８内に送り込んでベーキング工程を実施するか、もしくは天板１３にシャッターによる開閉機構を設け、充填室９が第一の加熱手段２２の均熱帯に入るよう基板ホルダー１９側に移動させた後シャッターを開き金属源補充管７に水素ガスを導入してベーキング工程を行ってもよい。
【００３６】
反応管２外に図示しないタンクとポンプを備えた金属源供給手段を設けて金属源補充管７と接続すると共に、充填室９のガリウムの液面を監視する光電センサー等の監視手段を設け、液面の低下に応じてガリウムを充填室９に補充するよう構成すると、充填室９へのガリウムの補充を自動化し、塩化ガリウムの生成量を常に最適に保つことが可能となる。
反応管２や生成管４の内部は定期的に清掃する必要があるが、ソースボート５の底面と生成管４の内壁底部との間に形成される空間内に、ソースボート５を支持するローラ装置１６を設けているので、ソースボート５を生成管４から出し入れする際に容易に移動させることができる。
【００３７】
図６はこの気相成長装置１を用いて窒化ガリウムの単結晶を成長させた場合と、図７に示す従来の気相成長装置５１を用いて窒化ガリウムの単結晶を成長させた場合との成長時間と成長速度の関係を比較して示してある。
従来の気相成長装置５１を用いた場合は、図上黒四角の点で示すように、成長時間が２５時間を超えたあたりから成長速度が低下するが、この気相成長装置１を用いた場合には、図上黒丸の点で示すように、成長時間が５５時間を超えても成長速度の落ち込みは少ない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の窒化物の気相成長装置によれば、作業能率を低下させることなく、数百μｍの厚膜の窒化物を高速で、かつ均一性良く気相成長させ、欠陥の少ない結晶を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である窒化物の気相成長装置の構成図である。
【図２】ソースボートの縦断面図である。
【図３】ソースボートの平面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本発明の気相成長装置を用いた場合と、従来の気相成長装置を用いた場合の窒化ガリウムの単結晶の成長時間と成長速度の関係を比較して示す図である。
【図７】従来の窒化物の気相成長装置の構成図である。
【符号の説明】
１気相成長装置
２反応管
３水素化物導入管
４生成管
５ソースボート
６反応気体導入管
７金属源補充管
８反応室
９充填室
１０連通室
１１天板
１２吹出し窓
１３天板
１４バッフル板
１５仕切板
１６ローラ装置
１７バッファ板
１８吹出し口
１９基板ホルダー
２０基板
２１排気口
２２第一の加熱手段
２３第二の加熱手段
２４断熱部材

Claims

反応管に水素化物を導入する水素化物導入管と、
反応管内の上流側に配置された生成管に、金属源を収容するソースボートとソースボートに反応気体を導入する反応気体導入管とソースボートに金属源を補充する金属源補充管とを設けたＩＩＩ族元素のハロゲン化物生成手段と、
反応管内の下流側に配置された基板支持手段とを備えた窒化物の気相成長装置であって、
ソースボートを、反応気体導入管が接続された半密閉構造の反応室と、金属源補充管が接続された充填室と、反応室と充填室とを金属源の最低使用液面以下の位置で連通する連通室とで構成したことを特徴とする窒化物の気相成長装置。
充填室を密閉構造としたことを特徴とする請求項１記載の窒化物の気相成長装置。
ソースボートの反応室と充填室と連通室とを、上流側から下流側へ充填室、連通室、反応室の順に配列し、連通室の外周に生成管内の雰囲気の下流側から上流側への逆流を防止するバッフル板を設け、反応室が均熱帯となるよう熱源を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物の気相成長装置。
充填室の前端を反応管を覆う断熱材の外側へ延出させたことを特徴とする請求項３記載の窒化物の気相成長装置。
反応管外に金属源供給手段を設けて金属源補充管と接続すると共に、充填室の金属源の液面を監視する監視手段を設け、液面の低下に応じて金属源を充填室に補充するよう構成したことを特徴とする請求項４記載の窒化物の気相成長装置。
ソースボートの底面と生成管の内壁底部との間に形成される空間内に、ソースボートを支持するローラ装置を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の窒化物の気相成長装置。