JP2005303168A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の基板に対して同時に結晶成長を行い、高い生産性で成長を行う気相成長装置を提供する。
【解決手段】 基板ホルダ１１は、固定部材１２により回転軸に沿って間隔を置いて連結されている。近接する基板ホルダ１１は相対的に９０度回転して取付けられており、最下流の基板ホルダ１１は円形としている。基板ホルダ１１は回転軸１３を介してモータ１４と連結しており、回転軸１３周りに回転運動するようになっている。基板ホルダ１１の各外周と反応管１内周との間には、充分大きな面積のガス通路が形成されており、下流側の基板ホルダ１１に必要な量の原料ガスが送られるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の基板上への結晶成長を同時に行う気相成長装置に関するものである。

ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）は、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長に用いられている。特に最近注目されているのは、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体結晶で、この結晶は紫外から緑色の発光素子、レーザ素子用の材料、高耐圧・高周波用電子デバイス用材料として注目されている。デバイス構造を作成するには、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）やＨＶＰＥ法等の気相成長法が用いられているが、なかでも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（特許文献１）。

従来のＨＶＰＥ法を用いる窒化ガリウムの気相成長装置の例を図１０に示す。

気相成長装置の反応管１内に、水素化物供給管２と、ソースボート４を内包して反応気体導入管５からのガスとの反応によりガリウム化合物を生成するハロゲン化物生成室（ガリウム化合物生成管）３と、基板１０を保持する基板ホルダ１１と、基板ホルダ１１の回転軸１３が配置され、水素化物供給管２からアンモニアを供給するとともに、ハロゲン化物生成室３からガリウム化合物を供給し、基板１０上に窒化ガリウム膜を成長させる。窒化ガリウム層中に不純物を導入する場合は、ドーピングガス供給管６により適宜ドーピングガスを供給する。

反応管１の外側にはハロゲン化物生成室３を加熱する電気炉８、基板１０を加熱する電気炉９が配置されている。さらに、反応管１の全体は断熱材（図示略）によって覆われている。遮蔽板７はガスの逆流を防止するとともに熱の遮断を行い、遮蔽板７によって区画された２つの室の温度を独立して制御できるようにしている。反応管１の下流側には、排気口１５が設けられている。

特開２００２−３０５１５５号公報

従来のＨＶＰＥ法を用いる気相成長装置は基板ホルダが１個で、その基板ホルダには２〜３枚の基板が配置される構造のため、高い生産効率を得ることが困難であった。

本発明の目的は、多数の基板に対して同時に結晶成長を行い、高い生産性で成長を行う気相成長装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明によれば、反応管と、前記反応管内に反応ガスを供給するガス供給部と、前記反応管内において、前記ガス供給部の下流側に配置された基板保持部と、を備え、前記基板保持部は、上流側から下流側にわたって配置された基板ホルダ群を含み、前記基板ホルダ群を構成する基板ホルダは、同一軸周りに回転可能に構成されるとともに、前記軸に沿って間隔を置いて設けられ、前記基板ホルダ群は、上流側の基板ホルダの外周と反応管内周との間に形成される間隙部を経由して下流側の基板ホルダへ前記反応ガスが導かれるように構成されたことを特徴とする気相成長装置が提供される。

本発明によれば、複数の基板ホルダが所定の回転軸に沿って間隔を置いて設けられるとともに、上流側から下流側へと反応ガスが効率よく流動するように構成されている。このため、複数の基板ホルダに配置された多数の基板に対して同時に結晶成長を行い、高い生産性で成長を行うことができる。

本発明の気相成長装置において、基板ホルダ群は、隣接する基板ホルダの開口部が互いに重なり合わないように構成することが好ましい。たとえば、各基板ホルダが、上流側に隣接する基板ホルダに対して所定の回転変位だけずらした位置に配設された構成としてもよい。すなわち、各基板ホルダが、上流側に隣接する基板ホルダを所定の角度回転させた位置と重なる位置に配設された構成としてもよい。こうすることにより、反応ガスを下流側へ円滑に導くことができ、生産性をさらに高めることができる。

基板ホルダ群は、同一形状を有し前記軸に対する位置をずらして設けられた複数の基板ホルダを含んでいてもよい。こうすることにより、反応ガスの流動状態をさらに良好なものとすることができる。

基板ホルダ群を構成する基板ホルダは、表面および裏面のそれぞれに基板を保持できるように構成してもよい。こうすることにより、装置の大型化を招くことなく、同時に結晶成長できるウエハの数を増大することができ、生産効率がさらに向上する。

本発明の気相成長装置において、前記基板保持部は、前記軸に沿って配置された複数の基板ホルダと、該基板保持ホルダを連結する連結部材とを具備し、当該基板保持部が前記軸の周囲に複数配置された構成としてもよい。このようにすれば、同時に結晶成長できるウエハの数を大幅に増大させることができ、生産性を顕著に向上させることができる。

本発明における気相成長装置において、太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合する遊星歯車と、前記太陽歯車を回転駆動する回転駆動部とを含む遊星歯車機構をさらに備え、前記基板保持部のそれぞれに前記遊星歯車が配設され、前記遊星歯車機構により、前記基板ホルダが自公転運動するように構成してもよい。このようにすれば、基板の枚数を多くすることができ、生産効率を向上させることができる。また、遊星歯車機構を用いているため、各基板上に、反応ガスを安定的に供給することができ、生産安定性が向上する。

本発明の気相成長装置において、前記ガス供給部は、水素化物を導入する水素化物供給部と、III族金属源を収容するソースボートを内包するハロゲン化物供給部と、を含む構成とすることができる。このようにすれば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）による化合物半導体結晶の成長を行うことが可能となる。

本発明の窒化物の気相成長装置によれば、比較的簡単な装置構造で、複数の基板に対して同時に成長を行い、高い生産効率を得ることができる。

以下、ＧａＮ結晶のＨＶＰＥ成長装置を例に挙げ、本発明の好ましい実施形態について実施例に基づいて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施例１
本実施例に係る気相成長装置を図１及び図２に示す。図１は装置断面図、図２はＡ−Ａ断面図である。

本実施例に係るＨＶＰＥ成長装置を図１および図２に示す。この装置は、反応ガスとして、Ｖ族原料ガスおよびIII族原料ガスを用いる。この成長装置は、成長の行われる反応管１と、反応管１にＶ族原料ガスを供給するＶ族原料ガス導入管２と、III族原料ガスを生成するとともに、生成したIII族原料ガス（ハロゲン化ガス）を反応管１に供給するハロゲン化物生成室３（III族原料ガス供給管）と、反応管１の内部に配置され基板を保持する基板ホルダ１１とを備えている。

ハロゲン化物生成室３は塩化ガリウムを生成し、これを、基板ホルダ１１上の基板１０表面に供給する。ハロゲン化物生成室３は、ハロゲンガス供給管５およびドーピングガス供給管６を備えるとともに、Ｇａ原料４を収容するソースボートを含んでいる。ハロゲンガス供給管５の供給口は、ハロゲン化物生成室（III族原料ガス供給管）３内の上流側に配置され、供給された塩素ガスはハロゲン化物生成室３内で滞留するようになっている。これにより、ハロゲンガスと揮発したＧａとが接触する時間を長く確保できるようになっている。このため、Ｇａの塩化反応が促進され、塩素ガスの流量を増大させた場合でも、塩化ガリウムの生成効率は低下しない。導入された塩素の大部分は塩化ガリウムになり、未反応塩素の残存は微量にとどまる。

反応管１は遮蔽板７により２つの室に区画されている。図中左側に位置する室では、Ｖ族原料ガス導入管２から供給されたアンモニアが滞留し、分解が促進される。この室の周囲には電気炉８が配置され、室内はたとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。図中右側に位置する成長領域２０には、基板１０を保持する基板ホルダが配置され、この室内でＧａＮ結晶の成長が行われる。この室の周囲には電気炉９が配置され、室内はたとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持される。遮蔽板７は、成長領域２０の高温度領域からハロゲン化物生成室３の配置された領域へ熱が伝導することを抑制する。本装置では、このような割型炉とすることにより昇温および降温速度を迅速に行うことを可能としている。この成長装置では、ハロゲン化物生成室３の配置された領域の温度は±１℃以下に制御され、成長領域２０は０〜±５℃／ｃｍの温度勾配で制御できる構造となっている。

Ｖ族原料ガス導入管２から供給されたアンモニアは、図中左側の室で滞留し分解した後、遮蔽板７の間隙を介して図中右側の室に流入する。この室内に配置された基板１０表面において、アンモニア分解物と塩化ガリウムとが反応し、基板１０表面にＧａＮ結晶が堆積する。

基板ホルダ１１は、固定部材１２により回転軸に沿って間隔を置いて連結されている。図２のＡＡ断面図に示すように、近接する基板ホルダ１１は相対的に９０度回転して取付けられており、最下流の基板ホルダ１１は円形としている。ここで、上流側に位置する２枚の基板ホルダ１１は、それぞれ同一形状を有し、回転軸に対する位置をずらして設けられており、開口部が互いに重なり合わないように構成されている。

基板ホルダ１１は回転軸１３を介してモータ１４と連結しており、基板ホルダ１１全体が回転軸１３周りに回転運動するようになっている。基板ホルダ１１の各外周と反応管１内周との間には、充分大きな断面積のガス通路が形成されており、下流側の基板ホルダ１１にはそれぞれ必要な量の原料ガスが送られるよう構成している。

基板ホルダ１１は、表面及び裏面に各２枚の基板１０を保持することができる。また本実施例では３個の基板ホルダ１１を有する構造としたが、成長領域２０の大きさ等に応じて基板ホルダ１１の個数を増減できる。

Ｖ族原料ガスは、Ｖ族原料ガス導入管２より供給され、反応管１全体に行き渡り、電気炉８によって充分に加熱され活性化された後、成長領域２０に導入される。

III族原料ガスおよびＶ族原料ガスの輸送のためのキャリアガスとしては、水素（Ｈ_２）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、Ｈ_２とＮ_２の混合ガスを用いる。ドーピングガスは、ドーピングガス供給管６より導入される。キャリアガス、III族原料ガス、および、Ｖ族原料ガス、ドーピングガスは排気口１５より排出される。

以上の構成を有する装置において、成長領域２０に供給された塩化ガリウムおよびアンモニアの分解物が反応することで、III−Ｖ族化合物半導体結晶を基板１０表面にＨＶＰＥ成長させることができる。

この気相成長装置は、回転軸に沿って設けられた基板ホルダ群を上流側からみたとき（図２）、上流側の基板ホルダ１１は、下流側の基板ホルダ１１の一部を遮蔽するとともに残りの部分を開放する形態となっている。このため、アンモニアの分解物および塩化ガリウムの基板表面における反応を促進するガスの流動状態が実現され、良好な品質のＧａＮ層を得ることができる。

本実施例では３つの基板ホルダ１１を有する構造としたが、成長領域２０の大きさ等に応じて基板ホルダの個数を増減できる。

この装置を用いることで、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＮ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ膜（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＰ膜（０≦Ｘ≦１）、ＧａＡｓ_１−ＸＰ_Ｘ膜（０≦Ｘ≦１）等の成長を行うことができる。

こうした膜を成長させるにあたり、III族原料ガスとして、ガリウム（Ｇａ）と塩化水素の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と塩化水素の反応生成物であるＧａＣｌ、インジウム（Ｉｎ）と塩化水素の反応生成物である塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、ＩｎＣｌ_３、およびアルミニウム（Ａｌ）と塩化水素の反応生成物である塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）等が用いることができる。また、Ｖ族原料として、アンモニア（ＮＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）等の有機砒素、および、ターシャルブチルホスフィン（ＴＢＰ）等の有機リンを用いることができる。

本実施例に係る気相成長装置によれば、多数の基板に対して同時に結晶成長を行うことができ、高い生産性を実現することができる。また、複数の基板ホルダ１１が、回転軸に沿って互いに重なり合わないように配置されているため、原料ガス（反応ガス）が下流側に円滑に送出される。このため、各基板について、結晶化速度（成膜速度）や結晶性を比較的均一にすることができる。

実施例２
本実施例に係る気相成長装置を図３に示す。図３は装置断面図である。この装置は、実施例１で説明した装置を縦型にしたものである。異なるのはソースボート４の配置を変更した点のみであり、その他は図１および図２と同様の構造である。従って、本実施例では各部の詳細な構造の説明を省略する。

本実施例の装置は、基板ホルダ１１が縦一列に並ぶ配置となっており、基板ホルダの基板保持面は水平方向に位置している。このため、回転軸１３及びモータ１４にかかる負担を低減できる。

実施例３
本実施例に係る気相成長装置を図４、図５及び図６（ａ）〜（ｄ）に示す。図４は装置断面図、図５はＢ−Ｂ断面図、図６（ａ）〜（ｄ）は基板ホルダ１１の形状と配置を示す図である。

この装置は図１及び図２の装置と基板ホルダ１１の形状と回転方向の配置が異なっており、その他は同様である。複数個の基板ホルダ１１の形状は、図６の（ａ）及び（ｄ）の２種類である。（ｂ）は（ａ）を回転軸周りに１２０度だけ反時計方向に回転させた配置を示しており、同様に（ｃ）は（ｂ）を回転軸周りに１２０度だけ反時計方向に回転させた配置である。図４では基板ホルダ１１が３列の構成となっており、この場合には例えば最上流側の基板ホルダ１１の配置を（ａ）、中間の基板ホルダ１１の配置を（ｂ）、最下流側の基板ホルダ配置を（ｄ）とする。また、４列とする場合には、（ａ）と（ｂ）の間もしくは（ｂ）と（ｄ）の間に（ｃ）を追加すればよい。
本実施例の装置によれば、各基板ホルダ１１が、同一形状を有し、各基板ホルダが、上流側に隣接する基板ホルダに対して所定の回転変位だけずらした位置に配設された構成としている。このため、基板ホルダ１１が回転すると、この回転運動にともない基板ホルダ１１に巻き込まれる形で原料ガス（反応ガス）が下流側に送出される。これにより、基板１０の表面に対して原料ガス（反応ガス）が安定的に供給され、高速成長が可能となるとともに、基板１０間における成膜速度や膜質のばらつきが抑制される。これにより、気相成長の生産性を安定的に向上させることができる。

実施例４
本実施例に係る気相成長装置を図７、図８及び図９に示す。図７は装置断面図、図８はＣ−Ｃ断面図、図９は遊星歯車機構の構成図である。

この装置は、図１および図２の装置と基板ホルダの構造及び回転駆動系が異なっており、その他の構造は同様である。本実施例の装置では、基板ホルダ１１が同一平面上に４個配置されてホルダ群を構成しており、このホルダ群が回転軸方向に複数個設けられ、多数の基板１０の結晶成長を同時に行うことができるようになっている。それぞれの基板ホルダ１１は自転しながら回転軸の周りを公転する。

各基板ホルダ１１は固定部材１２で連結されている。基板ホルダ１１が同一平面上に４個配置されてホルダ群を構成しており、このホルダ群が回転軸方向に複数個設けられ、多数の基板１０の結晶成長を同時に行うことができるようになっている。それぞれの基板ホルダ１１は自転しながら回転軸の周りを公転する。

各基板ホルダ１１は固定部材１２で連結されている。基板ホルダ１１及び固定部材１２からなる基板保持部材は遊星歯車１７を具備し、この遊星歯車１７は、装置内に固定された内歯車１８、太陽歯車１６とともに遊星歯車機構を構成する。遊星歯車機構は図９に示す構造を有しており、太陽歯車１６は図示しないモータによって回転し、遊星歯車１７が自公転するようになっている。

本実施例によれば、遊星歯車機構を用いるため、基板の枚数を多くすることができ、生産効率を向上させることができる。また、各基板ホルダに、反応ガスを安定的に供給することができ、製造安定性が向上する。

以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例は例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、上記実施例では、基板ホルダ１１と反応管１内壁との間隙部をガス流路として利用したが、基板ホルダ１１に穴を設け、かかる穴を介して反応ガスが下流側に送出されるようにしてもよい。
また、上記実施例では、ＧａＮ膜の成膜装置を例に挙げたが、膜の種類は特に限定されず、本発明の装置は様々な成膜に適用することができる。たとえば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用いることで、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＮ（０≦Ｘ≦１）膜を成長させることができる。また、アルシン（ＡｓＨ_３）やホスフィン（ＰＨ₃）等を用いることで、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）膜、Ａｌ_１−ＸＧａ_ＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＰ（０≦Ｘ≦１）膜を形成できる。
また、基板のサイズは特に限定がなく、２インチ径（直径）のものを使用してもよいし、４インチ径の大口径基板を用いてもよい。

本発明の気相成長装置の実施の一形態を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の気相成長装置の実施の一形態を示す断面図である。 本発明の気相成長装置の実施の一形態を示す断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 基板ホルダの形状と配置の種類を示す図である。 本発明の気相成長装置の実施の一形態を示す断面図である。 図７のＣ−Ｃ断面図である。 図７の成長装置を回転駆動する遊星歯車機構の構造を示す図である。 従来の気相成長装置の断面図である。

符号の説明

１ 反応管
２ 水素化物供給管
３ ハロゲン化物生成室
４ Ｇａ原料
５ 反応気体導入管
６ ドーピングガス供給管
７ 遮蔽板
８ 第一の加熱手段
９ 第二の加熱手段
１０ 基板
１１ 基板ホルダ
１２ 固定部材
１３ 回転軸
１４ モータ
１５ 排気口
１６ 太陽歯車
１７ 遊星歯車
１８ 内歯車

Claims (7)

1. 反応管と、
   前記反応管内に反応ガスを供給するガス供給部と、
   前記反応管内において、前記ガス供給部の下流側に配置された基板保持部と、
   を備え、
   前記基板保持部は、上流側から下流側にわたって配置された基板ホルダ群を含み、
   前記基板ホルダ群を構成する基板ホルダは、同一軸周りに回転可能に構成されるとともに、前記軸に沿って間隔を置いて設けられ、
   前記基板ホルダ群は、上流側の基板ホルダの外周と反応管内周との間に形成される間隙部を経由して下流側の基板ホルダへ前記反応ガスが導かれるように構成されたことを特徴とする気相成長装置。
2. 請求項１に記載の気相成長装置において、
   前記基板ホルダ群は、隣接する基板ホルダの開口部が互いに重なり合わないように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項１または２に記載の気相成長装置において、
   前記基板ホルダ群は、同一形状を有し前記軸に対する位置をずらして設けられた複数の基板ホルダを含むことを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の気相成長装置において、
   前記基板ホルダ群を構成する基板ホルダは、表面および裏面のそれぞれに基板を保持できるように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の気相成長装置において、
   前記基板保持部は、前記軸に沿って配置された複数の基板ホルダと、該基板保持ホルダを連結する連結部材とを具備し、当該基板保持部が前記軸の周囲に複数配置されていることを特徴とする気相成長装置。
6. 請求項５に記載の気相成長装置において、
   太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合する遊星歯車と、前記太陽歯車を回転駆動する回転駆動部とを含む遊星歯車機構をさらに備え、
   前記基板保持部のそれぞれに前記遊星歯車が配設され、前記遊星歯車機構により、前記基板ホルダが自公転運動するように構成されたことを特徴とする気相成長装置。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の気相成長装置において、
   前記ガス供給部は、水素化物を導入する水素化物供給部と、III族金属源を収容するソースボートを内包するハロゲン化物供給部と、を含むことを特徴とする気相成長装置。

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