JP2005191414A

JP2005191414A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2005191414A
Application number: JP2003433187A
Authority: JP
Inventors: Yukichi Takamatsu; 勇吉高松; Yoshiyasu Ishihama; 義康石濱
Original assignee: Japan Pionics Ltd
Current assignee: Japan Pionics Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4637478B2

Abstract

【課題】窒化ガリウム系化合物半導体の製造のように、気相成長温度を高温度に設定するとともに、腐食性ガスを大量に使用する気相成長を行なう場合であっても、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータからの伝熱による回転駆動器への悪影響を防止することができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】サセプタ回転軸が上下方向に複数の構成部材からなり、その最上部が、窒化物系セラミックスからなる構成、炭化物系セラミックスからなる構成、ホウ化物系セラミックスからなる構成、またはこれらのセラミックスを表面に積層した構成の気相成長装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体膜の気相成長装置に関し、さらに詳細には、基板を載置するサセプタ、基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、及びサセプタを支持するサセプタ回転軸を内蔵する横型あるいは縦型の半導体膜の気相成長装置に関する。

近年、窒化ガリウム系化合物半導体が、発光ダイオードやレーザーダイオード等の素子として、光通信分野を中心に急速に需要が高まっている。窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルインジウム、またはトリメチルアルミニウム等の有機金属ガスをIII族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、あらかじめ反応室内にセットされたサファイヤ等の基板上に窒化ガリウム系化合物の半導体膜を気相成長させて成膜する方法が知られている。

また、前記窒化ガリウム系化合物半導体を製造するための装置としては、基板を載置するサセプタ、基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、及びサセプタを支持するサセプタ回転軸を内蔵する横型あるいは縦型の気相成長装置がある。このような気相成長装置においては、基板をサセプタに載せ、ヒータで加熱した後、基板の表面に原料を含むガスを供給するとともに、装置下部の回転駆動器に接続されたサセプタ回転軸を回転させることにより、基板上に半導体膜を均一に気相成長させて成膜する構成となっている。

従来から、気相成長装置のサセプタ回転軸の構成材料としては、機械的な強度が高いステンレス鋼が多く用いられてきた。しかし、比較的に高い温度条件（１０００℃以上）で気相成長を行なう場合は、短時間の使用でもステンレス鋼がヒータからの伝熱により加熱されて劣化し、そのまま放置すると回転中に偏心を起こすので、頻繁に新規回転軸と交換する必要があった。そのため、例えば、サセプタ回転軸の上部の構成部材に、一般的に耐熱性が優れているとされているカーボンを使用し、下部の構成部材に、ステンレス鋼を使用した気相成長装置が提案されている（実公平６−１９５７０）。
実公平６−１９５７０号公報特開平３−１６１２２号公報特開平６−２０９５７号公報

しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体を製造する際、すなわち、原料としてトリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等と、アンモニア等を用いて気相成長する際には、基板を１０００℃以上の高温に加熱する必要があり、また、アンモニア等の腐食性ガスを大量に使用するので、サセプタ回転軸の上部の構成部材としてカーボンを使用しても、徐々に劣化が進行し、表面が粉化、崩壊して回転中に偏心を起こすという不都合が生じた。また、そのほか、ヒータからの熱が、サセプタ回転軸を経由して回転駆動器に伝わり、悪影響を及ぼすという不都合があった。

従って、本発明が解決しようとする課題は、窒化ガリウム系化合物半導体の製造のように、気相成長温度を高温度に設定するとともに、腐食性ガスを大量に使用する気相成長を行なう場合であっても、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータからの伝熱による回転駆動器への悪影響を防止することができる気相成長装置を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、サセプタ回転軸の上部の構成部材として、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、またはホウ化物系セラミックスを用いることにより、さらに好ましくはサセプタ回転軸の下部の構成部材として、酸化物系セラミックスを用いることにより、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータからの伝熱による回転駆動器への悪影響を防止できることを見出し、本発明の気相成長装置に到達した。

すなわち本発明は、基板を載置するサセプタ、該基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び該サセプタを支持するサセプタ回転軸を内蔵する半導体膜の気相成長装置であって、サセプタ回転軸が上下方向に複数の構成部材からなり、その最上部が、窒化物系セラミックスからなる構成、炭化物系セラミックスからなる構成、ホウ化物系セラミックスからなる構成、または該セラミックスを表面に積層した構成であることを特徴とする気相成長装置である。

本発明は、基板を載置するサセプタ、該基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、及びサセプタを支持するサセプタ回転軸を内蔵する半導体膜の気相成長装置に適用される。
本発明の気相成長装置においては、原料ガスの種類等には特に限定されることはない。しかし、特に気相成長温度を１０００℃以上の高温とする場合に、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータから伝熱することによる回転駆動器への悪影響を防止できる点で本発明の効果を充分に発揮させることができる。

このような原料を使用する気相成長としては、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、またはトリエチルアルミニウムをIII族金属源とし、アンモニア、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔｅｒｔ-ブチルヒドラジン、またはトリメチルアミンを窒素源とする窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長を例示することができる。

以下、本発明の気相成長装置を、図１〜図３に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
図１、図２は本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面図である。また、図３は本発明の気相成長装置に用いられるサセプタ回転軸の接続部の構成の一例を示す垂直断面図である。

本発明の気相成長装置は図１、図２に示すように、基板１を載置するサセプタ２、基板を加熱するヒータ３、原料ガス導入部４、反応ガス排出部５、及びサセプタを支持するサセプタ回転軸６を内蔵する半導体膜の気相成長装置であって、サセプタ回転軸が上下方向に複数の構成部材からなり、その最上部の構成部材７が、耐腐食性が優れ、熱伝導率が小さい、窒化物系セラミックスからなる構成、炭化物系セラミックスからなる構成、ホウ化物系セラミックスからなる構成、またはこれらのセラミックスを表面に積層した構成である気相成長装置である。

また、本発明の気相成長装置においては、好ましくは、サセプタ回転軸の最上部以外の少なくとも一部の構成部材が、熱伝導率がより小さい酸化物系セラミックスからなる構成とされる。例えば、図２に示す気相成長装置においては構成部材８が、図３に示す気相成長装置においては構成部材９及び／または構成部材１０が、酸化物系セラミックスからなる構成とされる。本発明において、サセプタ回転軸が上下方向に３個以上の構成部材からなる場合は、前記セラミックス以外の構成材料を使用することができ、その構成材料について特に限定されることはないが、例えばステンレス鋼を使用することができる。

本発明に使用される前記の窒化物系セラミックスとしては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、窒化チタンを、炭化物系セラミックスとしては、炭化ホウ素、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タングステンを、ホウ化物系セラミックスとしては、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタンを、酸化物系セラミックスとしては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタンを例示することができる。

尚、本発明におけるサセプタ回転軸の各構成部材の形状については、特に限定されることはないが、通常は円柱形または円筒形である。サセプタ回転軸は、通常は気相成長装置の下部に設置する回転駆動器１１に接続される。
また、本発明の気相成長装置において、前記のような複数の構成部材は、適切な接続手段により互いに接続してサセプタ回転軸とされる。接続手段としては、例えば、図３に示すように、接続金具１４を用いて互いに接続することができる。
また、図１、図２は横型の気相成長装置の例を示すものであるが、本発明は縦型の気相成長装置にも適用することができる。

図１、図２に示す横型の気相成長装置は、サセプタ、ヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、サセプタ回転軸のほか、基板と対向する反応管壁部に押圧ガス導入部１２を備え、原料ガス導入部のガス供給口が、仕切板１３により上下方向に区切られた構成の気相成長装置である。このような気相成長装置により窒化ガリウム系化合物半導体を製造する場合は、通常は、原料ガス導入部の上部流路から、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、またはトリエチルアルミニウムを含むガスが供給され、下部流路から、アンモニア、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔｅｒｔ-ブチルヒドラジン、またはトリメチルアミンが供給されるとともに、押圧ガス導入部から不活性ガス等の押圧ガスが、基板と垂直方向に反応管内に供給される。

前記の気相成長を実施する際は、基板上に均一な半導体膜を効率よく気相成長させるために、基板が載置されたサセプタが、サセプタ回転軸により回転される。サセプタは、基板とともにヒータにより１０００℃以上の高温に加熱されるので、サセプタ回転軸の最上部は１０００℃前後の高温になる。また、サセプタは回転するので、その側面の間隙を完全にシールすることは難しく、サセプタ回転軸の最上部とアンモニア等の腐食性ガスの接触を防止することは困難である。しかし、本発明の気相成長方法においては、サセプタ回転軸が前述のような構成であるので、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータからの伝熱による回転駆動器への悪影響を防止することができる。

本発明の気相成長装置は、サセプタ回転軸の最上部の構成部材に、カーボンよりも耐腐食性が優れ、熱伝導率が小さい、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、またはホウ化物系セラミックスを用いているので、窒化ガリウム系化合物半導体の製造のように、気相成長温度を高温度に設定するとともに、腐食性ガスを大量に使用する気相成長を行なう場合であっても、サセプタ回転軸が劣化し回転中に偏心を起したり、ヒータからの熱が、サセプタ回転軸を経由して回転駆動器に伝わり、悪影響を及ぼすという従来からの不都合を解消することができる。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

（気相成長装置の製作）
石英製の横形反応管（内寸法で、幅２８０ｍｍ（押圧ガス導入部の幅）、高さ２０ｍｍ、長さ１５００ｍｍ）の内部に、直径２６０ｍｍのサセプタ、基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部を有し、サセプタ回転軸が上下方向に２個の構成部材からなり、上部の構成部材として窒化ホウ素（ＢＮ）、下部の構成部材として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いた図１に示すような気相成長装置を製作した。サセプタ回転軸の構成部材の形状は、共に内径６ｍｍ、外径３０ｍｍの円筒形であった。また、サセプタ回転軸の全長は、２４０ｍｍであった。

（サセプタ回転軸の耐久性試験）
サセプタの中心温度が１２００℃となるように加熱し安定するまで放置した。次に、ガス導入部の上部ガス流路から水素ガスを３０Ｌ／ｍｉｎで供給し、下部ガス流路からはアンモニアを３０Ｌ／ｍｉｎで供給するとともに、サセプタを毎分５回転させた。ガスの供給開始から４時間後、サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

（実施例２）
実施例１の気相成長装置の製作において、サセプタ回転軸の上部の構成部材として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた以外は実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。次に、この気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様にしてサセプタ回転軸の耐久性試験を行なった。サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

（実施例３）
実施例１の気相成長装置の製作において、サセプタ回転軸が上下方向に３個の構成部材からなり、上部の構成部材として窒化ホウ素（ＢＮ）、中部の構成部材として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、下部の構成部材としてステンレス鋼を用いた以外は実施例１と同様にして図２に示すような気相成長装置を製作した。（サセプタ回転軸の径、全長は実施例１と同じ。）次に、この気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様にしてサセプタ回転軸の耐久性試験を行なった。サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

（実施例４）
実施例３の気相成長装置の製作において、サセプタ回転軸の上部の構成部材として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた以外は実施例３と同様にして気相成長装置を製作した。次に、この気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様にしてサセプタ回転軸の耐久性試験を行なった。サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

（比較例１）
実施例１の気相成長装置の製作において、サセプタ回転軸として１個のステンレス鋼からなる回転軸を用いた以外は実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。次に、この気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様にしてサセプタ回転軸の耐久性試験を行なった。サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

（比較例２）
実施例１の気相成長装置の製作において、サセプタ回転軸の上部の構成部材としてカーボンを用い、下部の構成部材としてステンレス鋼を用いた以外は実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。次に、この気相成長装置を用いた以外は実施例１と同様にしてサセプタ回転軸の耐久性試験を行なった。サセプタ回転軸の最上部の腐食状態を観察した結果、及びサセプタ回転軸の最下部の側面における最高到達温度を表１に示す。

本発明の実施例は、以上のように、気相成長温度を高温度に設定するとともに、腐食性ガスを大量に使用する気相成長を行なう場合であっても、サセプタ回転軸の劣化、及びヒータからの伝熱による回転駆動器への悪影響を防止できることが確認された。

本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面図本発明の図１以外の気相成長装置の一例を示す垂直断面図サセプタ回転軸の接続部の構成の一例を示す垂直断面図

符号の説明

１基板
２サセプタ
３ヒータ
４原料ガス導入部
５反応ガス排出部
６サセプタ回転軸
７サセプタ回転軸の最上部の構成部材
８サセプタ回転軸の最上部以外の構成部材
９サセプタ回転軸の最上部以外の構成部材
１０サセプタ回転軸の最上部以外の構成部材
１１回転駆動器
１２押圧ガス導入部
１３仕切板
１４接続金具

Claims

基板を載置するサセプタ、該基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び該サセプタを支持するサセプタ回転軸を内蔵する半導体膜の気相成長装置であって、サセプタ回転軸が上下方向に複数の構成部材からなり、その最上部が、窒化物系セラミックスからなる構成、炭化物系セラミックスからなる構成、ホウ化物系セラミックスからなる構成、または該セラミックスを表面に積層した構成であることを特徴とする気相成長装置。
サセプタ回転軸の最上部以外の少なくとも一部が、酸化物系セラミックスからなる構成である請求項１に記載の気相成長装置。
窒化物系セラミックスが、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、または窒化チタンである請求項１に記載の気相成長装置。
炭化物系セラミックスが、炭化ホウ素、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、または炭化タングステンである請求項１に記載の気相成長装置。
ホウ化物系セラミックスが、窒化ホウ素、炭化ホウ素、またはホウ化チタンである請求項１に記載の気相成長装置。
酸化物系セラミックスが、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、または酸化チタンである請求項2に記載の気相成長装置。
気相成長装置が、窒化ガリウム系化合物半導体を製造するための装置である請求項１に記載の気相成長装置。