JP2005005693A - 化学気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板表面により効率よくエピタキシャル膜を成長させることができ、エピタキシャル膜の成長の条件を好適に設定可能な化学気相成長装置を提供する。
【解決手段】 化学気相成長装置１は、主に反応器２、ヒータ３、基板トレイ、サセプタ５、ベースプレート、自転発生部、公転発生部、気体導入口８および気体排出口９から構成されている。底面２ａに設置されるギャップ調整部材１１は、公転軸を中心とした回転対称な円盤形状であり、その中心には上下方向に貫通した孔部１１ａを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体基板にエピタキシャル膜を成長させる化学気相成長装置に関する。

半導体の基板上にエピタキシャル膜を成長させる成膜工程のひとつとして、化学気相成長法（以下、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と記載する。）がある。なかでも、エピタキシャル膜の原料として有機金属ガスを使用する有機金属化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と記載する。）は、再現性、エピタキシャル膜の均一性に優れており、急峻な界面を有するエピタキシャル膜を成長させることができるため、現在ではエピタキシャル膜の成長方法の主流となっている。このＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル膜を形成させる有機金属化学気相成長装置にはさまざまな種類があり、そのなかのひとつとして、複数の半導体基板を回転させながらエピタキシャル膜を成長させる装置がある（例えば、特許文献１参照。）。以下、特許文献１に記載の「基板回転機構を備えた成膜装置（以下、成膜装置と記載する。）」について説明する。

図１２は、特許文献１に記載の成膜装置を示す概略縦断面図である。成膜装置１０１は、主に反応器１０２、ヒータ１０３、基板トレイ１０４、サセプタ１０５、自公転機構１０６、気体導入口１０７および気体排出口１０８から構成される。

基板Ｗは、その成膜面を下方に向けた状態で、基板トレイ１０４に載置される。さらに基板トレイ１０４は、サセプタ１０５に載置される。そして、自公転機構１０６により、基板Ｗは自転および公転を行う。なお、基板Ｗの自転は、自公転機構１０６が、基板トレイ１０４をその中心を回転軸（自転軸）として回転させることにより発生する。また、基板Ｗの公転は、自公転機構１０６が、サセプタ１０５をその中心を回転軸（公転軸）として回転させることにより発生する。

気体導入口１０７は、反応器１０２の底面の、公転軸上に設けられている。エピタキシャル膜の原料となる有機金属ガスを含む原料気体は、気体導入口１０７から、反応器１０２内に導入される。導入された原料気体は、ヒータ１０３により加熱され、化学反応を起こし、所望の物質となる。そして、この物質は、自転および公転している基板Ｗに付着し、エピタキシャル膜として成長する。未反応の気体や、エピタキシャル膜として成長しなかった原料気体等は、気体排出口１０８から排出される。このように、基板Ｗを自公転させながらエピタキシャル膜を成長させるので、エピタキシャル膜成長時の方向特異性が打ち消され、基板Ｗ表面におけるエピタキシャル膜の成長の均一性が向上する。

また、自公転機構を備えた化学気相成長装置の別の例として、成膜面を上向きとし、原料気体を分離して導入するものがある（例えば、非特許文献１参照。）。図１３は、非特許文献１に記載の化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）は概略透視図、（ｂ）は概略縦断面図である。化学気相成長装置２０１の気体導入口２０７は、その同心円状の内側に形成されるアンモニア導入口２０７ａと、外側に形成される有機金属原料ガス導入口２０７ｂとに分けられている。アンモニア導入口２０７ａから導入されたアンモニアと、有機金属原料ガス導入口２０７ｂから導入された有機金属原料ガスとは、基板Ｗ付近で混合されて化学反応を起こし、基板Ｗ表面（上面）にエピタキシャル膜が成長する。
特開２００２−１７５９９２号公報（［００３９］、図４） 赤▲崎▼勇編著、「III族窒化物半導体」、第２版、培風館、１９９９年１２月、ｐ．１５２−１５３

しかしながら、特許文献１に記載の成膜装置１０１には以下に示す問題点があった。
（１） 原料気体によるエピタキシャル膜の成長は、基板Ｗ表面だけでなく、サセプタ１０５の表面や反応器１０２の内側面でも起こる。また、エピタキシャル膜として成長することなく排出される原料気体が存在する。これら原料気体のロスを少なくし、基板Ｗ表面におけるエピタキシャル膜の成長を効率よく行いたいが、気圧、温度、気体の流量、反応器の形状等が反応効率のパラメータとなっており、これらパラメータの制御が難しい。また、成長させるエピタキシャル膜の種類を変更すると、これらパラメータを別の値で制御する必要があり、これらパラメータ同士が互いに影響しあうため、制御が難しい。

また、非特許文献１に記載の化学気相成長装置２０１には、前記問題点に加え、以下に示す問題点があった。
（２） 分離して導入された各気体が好適に混合されず、エピタキシャル膜の成長が好適に行われないおそれがある。また、原料気体の種類によっては、気体導入口２０７の形状が不適となる場合があり、うまく対応できない。
（３） 化学気相成長装置２０１には、図示しないヒータが、基板Ｗの下側に設置されている。ヒータにより熱せられた原料気体は、比重が軽くなるため、上昇気流となる。したがって、原料気体が上昇するため、下方にある基板Ｗの表面ではエピタキシャル膜が成長しにくい。また、基板Ｗの上側にある対向面で成長したエピタキシャル膜が剥離して基板Ｗ表面に落下し、膜質が悪くなるおそれがある。

そこで、本発明は、半導体基板表面により効率よくエピタキシャル膜を成長させることができ、エピタキシャル膜の成長の条件を好適に設定可能な化学気相成長装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の化学気相成長装置は、反応器の内部に設置され、複数の半導体基板を、それらの膜形成面が下向きとなるよう、回転軸まわりに保持し、回転するサセプタと、前記反応器に形成される、前記サセプタと対向する対向面と、前記対向面の前記回転軸付近に設けられ、前記膜形成面に形成される膜の原料である原料気体を導入する気体導入口と、前記サセプタと前記対向面との間に形成され、導入された前記原料気体が流れる気体流路と、前記対向面の外縁側に設けられ、前記反応器内の気体を排出する気体排出口と、を有する化学気相成長装置であって、前記気体流路は、前記半導体基板よりも前記気体導入口側に段差を有する構成とした。

膜形成面が下向きの化学気相成長装置では、熱せられた原料気体はサセプタに押し付けられながら基板に到達する。したがって、基板よりも上流（気体導入口）側の気体流路の形状が、エピタキシャル膜の成長効率に影響を与えやすい。かかる構成により、気体流路における原料気体の流れを好適に設定し、エピタキシャル膜の成長が好適に行われる化学気相成長装置を提供することができる。

なお、ここでいう「段差」は、断面形状に一つ以上の変曲点または傾きの不連続点を有するように形成されることが望ましい。また、段差の形状は、回転軸を中心として回転対称であることが望ましい。
この段差の位置は、半導体基板の最下流端部（気体排出口側端部）よりも気体導入口側（上流側）であればよい。そして、段差の位置は、半導体基板の中心よりも気体導入口側であることが望ましく、さらには、半導体基板の最上流端部（気体導入口側端部）よりも気体導入口側であることが望ましい。

また、請求項２に記載の化学気相成長装置は、請求項１に記載の化学気相成長装置であって、前記段差は、前記対向面側に形成されている構成とした。

対向面側に形成される段差は、その上流（気体導入口）側より下流（気体排出口）側のギャップが小さくなるよう設けられることが望ましい。なお、ここでいう「ギャップ」とは、気体流路の回転軸方向の幅のことをいう。

また、請求項３に記載の化学気相成長装置は、請求項１に記載の化学気相成長装置であって、前記段差は、前記サセプタ側に形成されている構成とした。

サセプタ側に形成される段差は、その上流側より下流側のギャップが大きくなるよう設けられることが望ましい。

また、請求項４に記載の化学気相成長装置は、請求項１に記載の化学気相成長装置であって、前記段差は、着脱可能なギャップ調整部材を前記気体流路に設置してなる構成とした。

かかる構成により、ギャップ調整部材を交換することが可能となる。所望の形状を有するギャップ調整部材を取り付けることで、エピタキシャル膜の成長を制御することができる。したがって、エピタキシャル膜の種類を変更する場合であっても、所望の形状を有するギャップ調整部材を取り付けることで、効率的に膜を成長させることが可能な化学気相成長装置を提供することができる。また、ギャップ調整部材を取り外して洗浄することが可能となり、メンテナンスが容易となる。また、既存の装置にも適用可能である。

また、請求項５に記載の化学気相成長装置は、請求項４に記載の化学気相成長装置であって、前記ギャップ調整部材は、前記対向面側に前記段差を形成させる構成とした。

かかる構成により、対向面側の段差を容易に形成することができ、その位置や形状を適宜変更可能な化学気相成長装置を提供することができる。

また、請求項６に記載の化学気相成長装置は、請求項５に記載の化学気相成長装置であって、前記ギャップ調整部材は、前記段差の位置を調整可能である構成とした。

段差の位置は、エピタキシャル膜の成長のパラメータのひとつである。かかる構成により、ギャップ調整部材により形成される段差の位置の調整が容易な化学気相成長装置を提供することができる。

また、請求項７に記載の化学気相成長装置は、請求項５に記載の化学気相成長装置であって、前記ギャップ調整部材は、前記段差の高さを調整可能である構成とした。

段差の高さは、エピタキシャル膜の成長のパラメータのひとつである。かかる構成により、ギャップ調整部材により形成される段差の高さの調整が容易な化学気相成長装置を提供することができる。

また、請求項８に記載の化学気相成長装置は、請求項４に記載の化学気相成長装置であって、前記ギャップ調整部材は、前記サセプタ側に前記段差を形成させる構成とした。

かかる構成により、サセプタ側の段差を容易に形成することができ、その位置や形状を適宜変更可能な化学気相成長装置を提供することができる。

請求項１、請求項２または請求項３に記載の発明によれば、エピタキシャル膜の成長効率が向上した化学気相成長装置を提供することができる。

請求項４、請求項５、請求項６、請求項７または請求項８に記載の発明によれば、さらに既存の装置にも適用可能な化学気相成長装置を提供することができる。なかでも、請求項６に記載の発明によれば、対向面に形成される段差の位置の調整が容易な化学気相成長装置を提供することができる。また、請求項７に記載の発明によれば、対向面に形成される段差の高さの調整が容易な化学気相成長装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について適宜図面を参照しながら説明する。位置や方向をあらわす用語（上下等）は、化学気相成長装置の使用状態を基準とする。また、同様の部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（化学気相成長装置の基本構造）
図１は、本発明の各実施形態に係る化学気相成長装置の内部構造を示す概略分解図である。図１に示すように、化学気相成長装置１は、主に反応器２、ヒータ３、基板トレイ４、サセプタ５、ベースプレートＢＰ、自転発生部６、公転発生部７、気体導入口８および気体排出口９から構成されている。

反応器２は、略円筒形状の筐体であり、その内部にヒータ３、基板トレイ４、サセプタ５等を収納している。また、反応器２の下面内側は底面２ａとなる。

ヒータ３は、径の異なる複数の円環ヒータからなり、公転軸を中心として設置されている。これら複数のヒータをそれぞれ独立して制御することにより、反応器２内に所望の温度分布を実現させる。なお、ここでいう「公転軸」が、特許請求の範囲における「回転軸」に該当する。

基板トレイ４は、円板状の部材であり、基板保持部４ａおよび自転ギア部４ｂを有する。

基板保持部４ａは、基板Ｗ（後述する図２参照）を、その成膜面を下向きに露出させて載置することができる。また、載置された基板Ｗの上には、均熱板ＷＰが載置される。均熱板ＷＰは、基板Ｗの温度分布を均一にする機能を有する。

自転ギア部４ｂは、基板トレイ４の外縁に形成されており、自転発生部６の自転ギア部６ａと噛み合う。そして、自転発生部６の駆動力で基板トレイ４を回転させることにより、基板Ｗを自転させる。

サセプタ５は、円板状の部材であり、基板トレイ保持部５ａ、公転ギア部５ｂおよび空洞部５ｃを有する。

基板トレイ保持部５ａは、サセプタ５の公転軸中心から等距離に複数形成されている。そして、基板トレイ４を、基板Ｗの成膜面を下向きに露出させて載置することができる。なお、図１では基板トレイ保持部５ａが五個である構成としたが、この数は適宜変更可能である。

公転ギア部５ｂは、サセプタ５の外縁に形成されており、公転発生部７の公転ギア部７ａと噛み合う。そして、公転発生部７の駆動力でサセプタ５を回転させることにより、基板Ｗを公転軸まわりに公転させる。

空洞部５ｃは、サセプタ５の公転軸中心に形成されており、後述する蓋材Ｃやギャップ調整部材５１、６１を設置可能に構成されている。

ベースプレートＢＰは、図示しないベアリングを介してサセプタ５を公転可能に支持する。

自転発生部６は、輪状の部材であり、その内縁に自転ギア部６ａを有する。

公転発生部７は、円板状の部材であり、その外縁に公転ギア部７ａを有する。

気体導入口８は、反応器２の底面２ａの、公転軸上となる位置に設けられている。膜の原料となる有機金属ガスを含む原料気体が、気体導入口８から反応器２内に導入される。

気体導入口８から気体排出口９までには、気体流路Ａ（図２参照）が形成されている。気体流路Ａは、底面２ａとサセプタ５との間に形成されている。

気体排出口９は、反応器２の底面２ａの、外縁側に設けられている。気体導入口８から導入された原料気体のうち、未反応の気体等が、気体排出口９から反応器２外に排出される。排出された気体は、公知の技術により除害される。

また、反応器２内は、図示しない減圧器により所望の気圧に減圧されている。

自転発生部６および公転発生部７により、基板Ｗは、自転および公転を行いつつ、その下面にエピタキシャル膜を成長させることができる。したがって、気相成長における方向特異性を打ち消すことができ、均等な気相成長を実現することが可能となる。

図２は、本発明の各実施形態に係る化学気相成長装置の、ギャップ調整部材を設置していない状態を示す概略縦断面図である。図中矢印は、原料気体の流れをあらわしている。空洞部５ｃ（図１参照）は、蓋材Ｃをはめ込むことによりふさがれている。気体導入口８から導入された原料気体は、まず蓋材Ｃにあたり、気体流路Ａを流れる。その際、基板Ｗにエピタキシャル膜が成長する。そして、エピタキシャル膜として成長しなかった気体等は、気体排出口９から排出される。

（第一の実施形態）
図３は、本発明の第一の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。底面２ａに設置されるギャップ調整部材１１は、公転軸を中心とした回転対称な円盤形状であり、その中心には上下方向に貫通した孔部１１ａを有する。孔部１１ａの径は、公転軸から基板Ｗの最下流端部（気体排出口９側端部）までの範囲内であればよく、望ましくは基板Ｗの中心までの範囲内、さらに望ましくは公転軸側端（最上流端部、気体導入口８側端部）までの範囲内である。ギャップ調整部材１１を設置した状態で、底面２ａおよびギャップ調整部材１１のサセプタ側露出面が特許請求の範囲における対向面を形成し、孔部１１ａが特許請求の範囲における段差を形成する。対向面に形成される段差により、その上流（気体導入口）側より下流（気体排出口）側のギャップが小さくなっている。

ギャップ調整部材１１により、気体流路Ａを所望の形状に変え、原料気体の流れ（図中の矢印）を変更することができる。このようにして、エピタキシャル膜の成長効率の向上をはかることができる。換言すれば、原料気体のロスを抑えることができる。また、ギャップ調整部材１１は、既存の装置にも設置可能である。なお、ギャップ調整部材１１の形状（厚さ、孔部１１ａの径等）は、適宜設定可能である。

このようなギャップ調整部材１１を設置することにより、エピタキシャル膜の成長が好適に行われる理由は定かではないが、以下に示す理由が推測される。
（Ａ） 段差の上流側ではギャップが大きいため原料気体の密度が小さくなっている。したがって、段差の上流側でのエピタキシャル膜の成長を抑えることができる。
（Ｂ） 段差の下流側ではギャップが小さいため、原料気体は基板Ｗ近くを流れることになり、基板Ｗ表面でエピタキシャル膜として成長することができる。すなわち、基板Ｗから離れた位置を流れ、エピタキシャル膜として成長しない原料気体の量を減らすことができる。
（Ｃ） 有機金属ガスを含む原料気体は、数段階の化学反応を経て、エピタキシャル膜となる。ギャップ調整部材１１を設置することで反応器２内に段差を形成するので、段差の手前で、導入された気体が予熱され、基板Ｗ付近で好適に化学反応を起こし、エピタキシャル膜として成長することができる。

（第二の実施形態）
図４は、本発明の第二の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）および（ｃ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。

ギャップ調整部材２１は、第一ギャップ調整部材２２および第二ギャップ調整部材２３から構成される。各ギャップ調整部材２２、２３は同じ高さを有する円盤形状の部材であり、第一ギャップ調整部材２２の孔部２２ａの径と、第二ギャップ調整部材２３の外径とが同じ大きさに形成されている。したがって、第二ギャップ調整部材２３を第一ギャップ調整部材２２の孔部２２ａにはめ込むことができる。孔部２２ａ、２３ａの径は、公転軸から基板Ｗの最下流端部（気体排出口９側端部）までの範囲内であればよく、望ましくは基板Ｗの中心までの範囲内、さらに望ましくは公転軸側端（最上流端部、気体導入口８側端部）までの範囲内である。

第一ギャップ調整部材２２を設置した状態では、孔部２２ａの位置が段差の位置となる（図４（ｂ）参照）。また、さらに第二ギャップ調整部材２３を設置した状態では、孔部２３ａの位置が段差の位置となる（図４（ｃ）参照）。このようにギャップ調整部材２１を使用することにより、段差の位置を容易に変更することができる。

（第三の実施形態）
図５は、本発明の第三の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材の斜視図、（ｂ）および（ｃ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。

ギャップ調整部材３１は、第一ギャップ調整部材３２および第二ギャップ調整部材３３から構成される。各ギャップ調整部材３２、３３は、同じ大きさの孔部３２ａ、３３ａを有する。第二ギャップ調整部材３３は、第一ギャップ調整部材３２の上に設置することができる。

第一ギャップ調整部材３２を設置した状態（図５（ｂ）参照）では、第一ギャップ調整部材３２の厚さが段差の高さとなる。また、さらに第二ギャップ調整部材を設置した状態（図５（ｃ）参照）では、第一ギャップ調整部材３２と第二ギャップ調整部材３３の厚さの合計が段差の高さとなる。このようにギャップ調整部材３１を使用することにより、段差の高さを容易に変更することができる。

（第四の実施形態）
図６は、本発明の第四の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。

ギャップ調整部材４１は、円板部４１ａおよび脚部４１ｂからなる。円板部４１ａは公転軸まわりで回転対称であり、複数の脚部４１ｂも回転対称に配置されている。そして脚部４１ｂを底面２ａに載置することにより設置される。底面２ａが特許請求の範囲における対向面となり、円板部４１ａの外周部分が特許請求の範囲における段差を形成する。サセプタ側に形成される段差により、その上流側より下流側のギャップが大きくなっている。円板部４１ａは、公転軸を中心とした回転対称形状である。

このようなギャップ調整部材４１を設置することにより、エピタキシャル膜の成長が好適に行われる理由は定かではないが、以下に示す理由が推測される。
（Ｄ） 導入された原料気体は、まずギャップ調整部材４１の円板部４１ａにあたる。ギャップ調整部材４１の温度は周囲よりも低いため、原料気体が基板Ｗに達する前に過熱状態となることを防ぎ、基板Ｗ表面でエピタキシャル膜が成長することができる。

（第五の実施形態）
図７は、本発明の第五の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。

ギャップ調整部材５１は、円板部５１ａ、吊部５１ｂおよび取付部５１ｃからなる。そして取付部５１ｃをサセプタ５の空洞部５ｃ（図１参照）に取り付けることにより設置される。

（第六の実施形態）
図８は、本発明の第六の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。

ギャップ調整部材６１は、前記ギャップ調整部材５１の変形例であり、円板部６１ａおよび取付部６１ｂからなる。そして取付部６１ｂをサセプタ５の空洞部５ｃに取り付けることにより設置される。

第四〜第六の実施形態に係る各ギャップ調整部材４１、５１、６１は、サセプタ側に段差を設けることを目的としている。すなわち、サセプタから各円板部の下面までの距離が、段差の高さとなる。このなかでもギャップ調整部材４１は底面２ａに設置され、公転しない点で異なっている。このことはエピタキシャル膜の成長時における方向特異性に影響を与えにくいという利点となる。

（第七の実施形態）
図９は、本発明の第七の実施形態に係る化学気相成長装置を示す縦断面図である。

本実施形態では、ギャップ調整部材１１（図３参照）およびギャップ調整部材４１（図６参照）を化学気相成長装置１内に設置している。したがって、両部材１１、４１の効果により、エピタキシャル膜の成長のさらなる効率化がはかられる。

（第八の実施形態）
第八の実施形態として、第四の実施形態に係るギャップ調整部材４１についてはさらに以下に述べるような変更を行ってもよい。すなわち図１０は、第八の実施形態に係るギャップ調整部材を示す斜視図である。

ギャップ調整部材７１は、円板部７１ａ、ガス流路部７１ｂ、空洞部７１ｃおよび接地部７１ｄからなる。円板部７１ａは公転軸まわりで回転対称であり、複数のガス流路部７１ｂも回転対称に配置されている。ギャップ調整部材７１の中央の下側の面には空洞部７１ｃが形成されており、この空洞部７１ｃからガス流路部７１ｂへと供給されたガスが導かれる。ギャップ調整部材７１は、接地部７１ｄを底面２ａ（図６（ｂ）参照）に載置することにより設置される。本実施形態におけるギャップ調整部材７１は図６（ａ）に示す第四の実施形態におけるギャップ調整部材４１の脚部４１ｂを大きな接地面積をもたせるように変更したものと考えることができる。したがって、本実施形態の対向面、段差、ギャップ等は第四の実施形態とほぼ同様に考えることができる。

ギャップ調整部材７１の構造を特徴付けるパラメータとしては、接地部７１ｄの形状、円板部７１ａの直径、厚み、などがあげられる。接地部７１ｄの形状については種々の変更が可能である。図１０では接地部７１ｄが略扇形状のものを組み合わせた例を挙げたが、円形、楕円形、多角形などのものを組み合わせたものでもよいし、さらに大きさの異なるもの、形状の異なるものを組みあせて構成してもよい。

また図１０の例ではギャップ調整部材７１の上方から見た形状は円形であるが、必要に応じて他の形状とすることもできる。すなわち、ギャップ調整部材７１の本体部は、円板形状の円板部７１ａに限定されず、その他、楕円形状、多角形状などを有する本体部であってもよい。このことは、他の実施形態についても同様である。

一般に、ギャップ調整部材７１の形状を特徴付けるパラメータのうちとくに重要なものとして、ギャップ調整部材７１を上面から見た面積、すなわち、円板部７１ａの面積と接地部７１ｄの面積とが挙げられる。

本実施形態のギャップ調整部材７１を好適に用いるために好ましい接地部７１ｄの面積と円板部７１ａの面積との具体的な関係は、前者の後者に対する比率が５％以上、９５％以下である。さらに好ましくは１０％以上、９０％以下であり、もっとも好ましくは１５％以上、８５％以下である。接地部７１ｄの面積が円板部７１ａの面積の５％より小さい場合、本発明の効果が得られにくく、９５％より大きい場合、反応炉に供給されるガスがギャップ調整部材７１の影響で流れにくくなることがある。

上述した各実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、半導体基板の自転および公転の駆動方法は、公知の遊星歯車によるものであってもよい。また、基板の成膜面を上向きとするフェイスアップ法による化学気相成長装置や、バレル型の装置にも適用することができる。また、ＭＯＣＶＤ法だけでなく、ＣＶＤ法を用いた化学気相成長装置全般に使用することができる。また、第一の実施形態において、ギャップ調整部材１１が着脱可能ではなく、対向面に一体に成形された構成であってもよい。また、第二、第三の実施形態において、各ギャップ調整部材２１、３１は三個以上に分割されたギャップ調整部材から構成される構成であってもよい。

各ギャップ調整部材の素材は、成長雰囲気下で安定な物質であればよい。例えば、砒素系またはリン系のエピタキシャル膜を成長させる場合には、石英、カーボン、モリブデン、窒化ホウ素、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、あるいは炭化珪素または窒化ホウ素を被覆したカーボン等が好適に使用できる。また、ギャップ調整部材４１、５１、６１としては、低温を保つため、熱伝導率や輻射吸収率が小さい素材が好適に使用できる。

また、ギャップ調整部材１１、２１、３１、４１、７１を固定可能な固定手段を底面２ａに設ける構成であってもよい。また、各孔部の形状は、垂直だけでなく、傾きを有する構成であってもよく、その例を図１１に示す。

また、ギャップ調整部材５１、６１は、サセプタ５に一体に設けられた構成であってもよい。また、各円板部の下面の形状は平面に限定されず、円錐形等、回転対称を有していればよい。また、各円板部の内部を中空にすることにより、円板部の熱伝導を小さくすることができ、より好適にエピタキシャル膜を成長させることができる。

これら各ギャップ調整部材により形成される段差の高さは、底面２ａからサセプタまでの高さの１０〜８０％、さらに望ましくは３０〜５０％であることが望ましい。

以下、本発明の実施例について説明する。図１を基本構造とする化学気相成長装置を用いて、本発明の有用性について調べた。サセプタは直径が約７６ｍｍ（３インチ）の基板を１０枚保持可能であり、気体導入口から保持された基板の中心までの距離は１８０ｍｍである。基板温度７００℃で１時間、ＧａＡｓ基板表面にインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）のエピタキシャル膜を成長させた。原料気体の流量は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）が１０８．９（μｍｏｌ／ｍｉｎ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）が１２９．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ホスフィンが４４６４３（μｍｏｌ／ｍｉｎ）である。

実施例１〜８および従来例１〜３の結果を表１に示す。ここで、膜成長速度とは、基板表面にエピタキシャル膜が成長する速度のことである。面内膜厚均一性とは、１枚の基板における膜厚の均一性である。面間膜厚均一性とは、１０枚の基板における膜厚の均一性である。

（実施例１〜６）
底面とサセプタとの距離を３８ｍｍとした。そしてギャップ調整部材１１（図３参照）として、孔部の半径が２０ｍｍ（実施例１）、６０ｍｍ（実施例２）、１００ｍｍ（実施例３）、１３０ｍｍ（実施例４）、１４０ｍｍ（実施例５）、１５０ｍｍ（実施例６）の６種類を用意し、それぞれ設置した状態でエピタキシャル膜を成長させた。これら６種類のギャップ調整部材は、高さ１０ｍｍである。したがって、対向面とサセプタとから形成される気体流路は、上流から下流に向かって、ギャップが３８ｍｍから２８ｍｍに段差の位置で変化している。

結果は、実施例１では膜成長速度２５．８ナノメートル毎分（以下、ｎｍ／ｍｉｎと記載する。）、面内膜厚均一性±１．０％、面間膜厚均一性±１．２％であった。また、実施例２では膜成長速度２７．３ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．０％、面間膜厚均一性±１．２％であった。また、実施例３では膜成長速度２７．５ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．２％、面間膜厚均一性±１．４％であった。また、実施例４では膜成長速度２７．８ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．２％、面間膜厚均一性±１．５％であった。また、実施例５では膜成長速度２８．０ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±２．２％、面間膜厚均一性±２．４％であった。また、実施例６では膜成長速度２７．５ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±３．２％、面間膜厚均一性±４．０％であった。

実施例１〜６を比較すると、実施例５で膜成長速度が最大（２８．０ｎｍ／ｍｉｎ）となった。これは後述する従来例３よりも約１１％向上している。また、実施例１〜４において、各従来例よりも面内膜厚均一性および面間膜厚均一性が向上した。段差が基板Ｗに近づくと、面内膜厚均一性および面間膜厚均一性が悪くなる傾向がみられた。また、表には示していないが、キャリア濃度の均一性は、±３％以内と良好であった。また、フォトルミネッセンス特性、Ｘ線半値幅等の膜質についても、各従来例と比較しても遜色ない結果が得られ、高品質のエピタキシャル膜を成長させることができた。これらの結果を考慮すると、実施例３、４が、エピタキシャル膜の成長に特に好適であるといえる。

（実施例７）
底面を平坦な対向面とし、対向面とサセプタとの距離を２８ｍｍとした。そしてギャップ調整部材４１（図６参照）を設置した状態でエピタキシャル膜を成長させた。なお、ギャップ調整部材４１の形状は、脚の長さ１０ｍｍ、直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍである。

結果は、膜成長速度２９．８ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．５％、面間膜厚均一性±１．８％であった。膜成長速度は後述する従来例３よりも約１８％向上している。膜成長速度、面内膜厚均一性および面間膜厚均一性全てにおいて各従来例よりも良好な結果が得られた。また、膜質も良好であった。

（実施例８）
底面とサセプタとの距離を３８ｍｍとした。孔部の半径が１００ｍｍ、高さ１０ｍｍのギャップ調整部材１１と、脚の長さ１０ｍｍ、直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍのギャップ調整部材４１とを設置した状態（図９参照）でエピタキシャル膜を成長させた。

結果は、膜成長速度３１．６ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．１％、面間膜厚均一性±１．２％であった。膜成長速度は後述する従来例３よりも約２５％向上している。膜成長速度は全実施例のなかで最大であり、かつ面内膜厚均一性および面間膜厚均一性も良好な値であった。また、膜質も良好であった。

（従来例１）
底面を平坦な対向面とし、対向面とサセプタとの距離を２８ｍｍとした。結果は、膜成長速度２４．１ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．９％、面間膜厚均一性±２．０％であった。

（従来例２）
底面を平坦な対向面とし、対向面とサセプタとの距離を３８ｍｍとした。結果は、膜成長速度２２．４ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．７％、面間膜厚均一性±２．１％であった。

（従来例３）
底面をテーパ形状の対向面とし、対向面とサセプタとの距離を、気体導入口で３８ｍｍ、サセプタ最外部で２８ｍｍとした。結果は、膜成長速度２５．２ｎｍ／ｍｉｎ、面内膜厚均一性±１．５％、面間膜厚均一性±２．０％であった。これら各従来例のなかでは、従来例３が最も良好な結果であった。

（実施例９）
対向面上にグラファイト製のギャップ調整部材７１（図１０参照）を設置した。対抗面と基板との距離は４７ｍｍであった。ギャップ調整部材７１の形状は、円板部７１ａの直径が２６０ｍｍ、ガス流路部７１ｂの数が８本、ガス流路部７１ｂのガス流方向と垂直方向の断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形、ガス流方向の長さが８０ｍｍ、空洞部７１ｃの直径が１００ｍｍ、全体の厚みが２０ｍｍであった。接地部７１ｄの面積の円板部７１ａの面積に対する割合は７３．２％である。

実施例９の構成を行った後、ＧａＡｓ基板上にノンドープのＩｎＧａＰ、ノンドープのＧａＡｓ、ＺｎをドープしたＩｎＧａＰを順次積層した構造を成膜した。ＺｎをドープしたＩｎＧａＰ層のアクセプタ濃度は１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。Ｚｎの原料としてはジエチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を用いた。本実施例においては、試料の選択的エッチングにより、ノンドープのＩｎＧａＰおよびＺｎをドープしたＩｎＧａＰの両方のＩｎの組成が評価できる。また比較のために、ギャップ調整部材７１を設置しないことを除いては実施例９と同様の構成で、同様の成膜を行った（従来例４）。

成膜は、１０度オフの３インチＧａＡｓ基板上に行った。上流と下流での差を明確にするために、基板は公転のみを行い、自転は行わなかった。表２に、基板上に成膜したノンドープのＩｎＧａＰとＺｎをドープしたＩｎＧａＰのＸ線回折ピークの差を、基板上での上流から下流に向かっての位置について示した。Ｘ線回折ピークの差が大きいほど、ＩｎＧａＰ中におけるＩｎ組成が小さいことを示している。なお、基板の上流部の端部を、基板上の位置の原点（０ｍｍ）とした。実施例９、従来例４の結果を表２に示す。

表２から、従来例４では基板下流部で、ＺｎをドープすることによりＩｎ組成が減少していることが分かる。一方、実施例９でも、下流部ほどＺｎをドープすることでＩｎ組成が小さくなる傾向は見られるものの、その差は小さく、上流から７０ｍｍの位置で見ると従来例４に比べて、その影響は１／４以下になっている。実施例９のギャップ調整部材７１が、均一性の優れた結晶成長に有効であることが分かる。

本発明の各実施形態に係る化学気相成長装置の内部構造を示す概略分解図である。 本発明の各実施形態に係る化学気相成長装置の、ギャップ調整部材を設置していない状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）および（ｃ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）および（ｃ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第四の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第五の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第六の実施形態に係る化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）はギャップ調整部材を示す斜視図、（ｂ）はギャップ調整部材を設置した状態を示す概略縦断面図である。 本発明の第七の実施形態に係る化学気相成長装置を示す概略縦断面図である。 本発明の第八の実施形態に係るギャップ調整部材を示す斜視図である。 ギャップ調整部材により形成される段差形状の例を示す縦断面図である。 特許文献１に記載の成膜装置を示す概略縦断面図である。 非特許文献１に記載の化学気相成長装置を示す図であり、（ａ）は概略透視図、（ｂ）は概略縦断面図である。

符号の説明

１ 化学気相成長装置
２ 反応器
２ａ 底面
３ ヒータ
４ 基板トレイ
５ サセプタ
６ 自転発生部
７ 公転発生部
８ 気体導入口
９ 気体排出口
１１ ギャップ調整部材
１１ａ 孔部
２１ ギャップ調整部材
２２ 第一ギャップ調整部材
２２ａ 孔部
２３ 第二ギャップ調整部材
２３ａ 孔部
３１ ギャップ調整部材
３２ 第一ギャップ調整部材
３２ａ 孔部
３３ 第二ギャップ調整部材
３３ａ 孔部
４１ ギャップ調整部材
４１ａ 円板部
４１ｂ 脚部
５１ ギャップ調整部材
５１ａ 円板部
５１ｂ 吊部
５１ｃ 取付部
６１ ギャップ調整部材
６１ａ 円板部
６１ｂ 取付部
７１ ギャップ調整部材
７１ａ 円板部
７１ｂ ガス流路部
７１ｃ 空洞部
７１ｄ 接地部
Ａ 気体流路
ＢＰ ベースプレート
Ｃ 蓋材
Ｗ 基板
ＷＰ 均熱板

Claims (8)

1. 反応器の内部に設置され、複数の半導体基板を、それらの膜形成面が下向きとなるよう、回転軸まわりに保持し、回転するサセプタと、
   前記反応器に形成される、前記サセプタと対向する対向面と、
   前記対向面の前記回転軸付近に設けられ、前記膜形成面に形成される膜の原料である原料気体を導入する気体導入口と、
   前記サセプタと前記対向面との間に形成され、導入された前記原料気体が流れる気体流路と、
   前記対向面の外縁側に設けられ、前記反応器内の気体を排出する気体排出口と、を有する化学気相成長装置であって、
   前記気体流路は、前記半導体基板よりも前記気体導入口側に段差を有することを特徴とする化学気相成長装置。
2. 前記段差は、前記対向面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学気相成長装置。
3. 前記段差は、前記サセプタ側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学気相成長装置。
4. 前記段差は、着脱可能なギャップ調整部材を前記気体流路に設置してなることを特徴とする請求項１に記載の化学気相成長装置。
5. 前記ギャップ調整部材は、前記対向面側に前記段差を形成させることを特徴とする請求項４に記載の化学気相成長装置。
6. 前記ギャップ調整部材は、前記段差の位置を調整可能であることを特徴とする請求項５に記載の化学気相成長装置。
7. 前記ギャップ調整部材は、前記段差の高さを調整可能であることを特徴とする請求項５に記載の化学気相成長装置。
8. 前記ギャップ調整部材は、前記サセプタ側に前記段差を形成させることを特徴とする請求項４に記載の化学気相成長装置。

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