JP2005317601A - ウエハ保持プレート - Google Patents

Abstract

【課題】 製品用のウエハ上に成長させる化合物半導体層の組成と極めて近い組成を有する化合物半導体層を安定してモニターウエハ上に成長させることが可能なウエハ保持プレートを提供する。
【解決手段】 複数の素子用ウエハ上に化合物半導体を成長させる反応炉内において、複数のウエハを保持するウエハ保持プレートであって、ウエハ保持プレートの一方の主面には、各素子用ウエハにそれぞれ対応して形成された複数の素子用ウエハ保持部の他に、その複数の素子用ウエハ保持部の外側の位置でモニター用ウエハを保持するモニターウエハ保持部を有し、そのモニターウエハ保持部は、２つの辺に挟まれた角を有しており、その角がモニターウエハ保持部の中でウエハ保持プレートの中心に最も近くなるように、複数の素子用ウエハ保持部のうちの隣接する２つの素子用ウエハ保持部の間に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ上に化合物半導体層を成長させる際のウエハ保持プレートに関する。

光通信に用いるレーザダイオード（光通信用レーザダイオード）は、極めて厳密に制御された発振波長を持っている必要があり、所定の発振波長を高い精度で実現するためには、レーザ素子を構成する化合物半導体結晶の構成元素の組成比を厳密に制御する必要がある。この化合物半導体結晶の作製には、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）が用いられる。ＭＯＣＶＤ装置は、化合物半導体ウエハを反応炉内に設置し、６００〜７５０℃まで加熱しながら、所望の化合物半導体層を得るために構成元素を含むガスを反応炉内に導入し、ウエハ上へ熱分解後、堆積させるものである。

図６は、１．３μｍ帯の発振波長を有するファブリーペローレーザダイオードの一般的な半導体積層構造を示す断面図であり、ｐ型ＩｎＰウエハ６の上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）が添加されたｐ型ＩｎＰバッファ層５、不純物が添加されていないＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３ａとＩｎＧａＡｓＰウェル層３ｂからなる多重量子井戸活性層３、ｎ型不純物として硫黄（Ｓ）が添加されたｎ型ＩｎＰ光ガイド層２、ｎ型不純物としてＳが添加されたｎ型ＩｎＰクラッド層１を順に形成されている。

この化合物半導体層をＭＯＣＶＤにより形成するときの成長温度は、例えば、６５０℃に設定され、成長圧力は例えば、２００ｍｂａｒに設定される。また、各層を形成するための原料ガスとしては、例えば、トリメチルインジウム（Trimethylindium：ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（Trimethylgallium：ＴＭＧ）、フォスフィン（Phosphine：ＰＨ_３）、アルシン（Arsine：ＡｓＨ_３）、硫化水素（Hydrogen Sulfide：Ｈ_２Ｓ）、ジエチル亜鉛（Diethylzinc：ＤＥＺ）が使用される。こけらの原料ガスは、ガスマスフローコントローラー等を用いて流量を制御することによって所望の組成になるように各層を形成する。

そして、従来では、このＭＯＣＶＤ成長時、複数のｐ型ＩｎＰウエハを保持するサセプタの周辺部にモニター用のウエハを設け、成長結晶が所望の組成の結晶になっているか否かをモニターしていた（例えば、特許文献１）。
特開平０５−４１３５６号公報

しかしながら、従来のサセプタの周辺部にモニター用のウエハを設ける方法では、モニター用のウエハ上に成長させた化合物半導体層の組成が安定しない（組成がばらつく）場合があり、モニターとしての役目を十分果たしていないという問題があった。
また、製品用のウエハ上に成長させた化合物半導体層の組成とモニター用のウエハの上に成長させた化合物半導体層の組成が必ずしも一致しない場合があり、モニターウエハを用いた成長組成の制御及び管理には一定の限界があった。

そこで、本発明は、例えば、ＭＯＣＶＤ装置などにおいて、製品用のウエハ上に成長させる化合物半導体層の組成と極めて近い組成を有する化合物半導体層を安定してモニターウエハ上に成長させることが可能なウエハ保持プレートを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係るウエハ保持プレートは、複数の素子用ウエハ上に化合物半導体を成長させる反応炉内において、上記複数のウエハを保持するウエハ保持プレートであって、上記ウエハ保持プレートの一方の主面には、上記各素子用ウエハにそれぞれ対応して形成された複数の素子用ウエハ保持部の他に、該複数の素子用ウエハ保持部の外側の位置でモニター用ウエハを保持するモニターウエハ保持部を有し、
上記モニターウエハ保持部は、２つの辺に挟まれた角を有しており、その角が上記モニターウエハ保持部の中で上記ウエハ保持プレートの中心に最も近くなるように、上記複数の素子用ウエハ保持部のうちの隣接する２つの素子用ウエハ保持部の間に設けられていることを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係るウエハ保持プレートは、モニターウエハ保持部が、その１つの角がモニターウエハ保持部の中で上記ウエハ保持プレートの中心に近くなるように、上記複数の素子用ウエハ保持部のうちの隣接する２つの素子用ウエハ保持部の間に設けられているので、素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層の組成及び膜厚を精度よくモニターできる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態のウエハ保持プレートについて説明する。
本実施の形態のウエハ保持プレートは、例えば、ＭＯＣＶＤ成長装置の反応層内で複数の素子用ウエハ上に化合物半導体を成長させる際に、その反応炉内において、複数の素子用ウエハを保持するためのウエハ保持プレートであり、次のように構成されている。

（１）本実施の形態のウエハ保持プレート１０は、一方の主面で複数の素子用ウエハを保持するように構成されており、その一方の主面には、各素子用ウエハにそれぞれ対応するように複数の素子用ウエハ保持部１１〜１３が形成され、さらに、その素子用ウエハ保持部に保持された素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層の組成及び膜厚をモニターするためのモニター用ウエハを保持するモニターウエハ保持部１４が形成されている（図１）。

（２）ここで特に、本実施の形態において、そのモニターウエハ保持部１４は、複数の素子用ウエハ保持部１１〜１２の外側において、モニターウエハの上に、可能な限り、素子用ウエハ上に成長される化合物半導体と同じ組成でかつ同じ膜厚の化合物半導体が成長できる位置に設けられている。

（３）具体的には、モニターウエハ保持部１４は、２つの辺に挟まれた角（かど）を少なくとも１つ有するように形成されており、その１つの角（本実施の形態では、矩形のモニタウエハ保持部であり、その４つのかどのうちの１つ）が、隣接する２つの素子用ウエハ保持部１１，１２の間に割り込むように設けられている。すなわち、モニターウエハ保持部１４は、素子用ウエハ保持部１１〜１３の外側に配置されているが、その１つの角がモニターウエハ保持部１４の中でウエハ保持プレート１０の中心に最も近くなるように配置されることにより、素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層の組成及び膜厚を精度よくモニターできるようにしている。

本実施の形態では、上述のように構成されたウエハ保持プレート１０を準備して、ウエハ保持プレート１０の素子用ウエハ保持部１１〜１３にそれぞれ素子用ウエハをセットし、モニターウエハ保持部１４にモニター用ウエハをセットして、ＭＯＣＶＤ装置のサセプタ２１上に取り付けて、例えば石英管からなる反応炉２８内にセットする（図２）。そして、反応炉２８に巻きつけた高周波加熱コイル２７によってサセプタ２１及びウエハ保持プレート１０とともに素子用ウエハとモニターウエハを加熱しながらウエハ保持プレート１０を回転させて素子用ウエハとモニター用ウエハの上に所定の化合物半導体層を成長させる。

すなわち、高周波加熱コイル２７によって素子用ウエハとモニターウエハを例えば６００℃〜７５０℃の温度になるように加熱しながら、原料ガスを横方向（図２において矢印で示すウエハの面に平行な方向）に流すと、加熱されたウエハ上で原料ガスが熱分解されてウエハ上に化合物半導体結晶が成長する。

この化合物半導体結晶の成長時において、原料ガスは図面上、左から右に流れていくが、リアクタの中央部分ではガス濃度が高くなり、リアクタの周辺にいくにしたがってガス濃度は低くなる傾向にある。また、ガスの上流側及び下流側とでガス濃度に違いが生じる場合もある。すなわち、ガスの上流側ではガス濃度は高くなるが、ガスが化合物半導体結晶を成長させるために消費されるので下側ほどガス濃度は低くなる。

そこで、反応炉内におけるガス濃度の場所依存性を考慮して、ウエハ保持プレート１０を、例えば、１０ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら化合物半導体結晶を成長させて、組成及び膜厚の均一性を確保している。
しかしながら、リアクタの中央部分と周辺部分では、ガス濃度の不均一を完全に解消することはできず、ウエハ保持プレートの中央部分と周辺部分とでは、成長される化合物半導体層の組成及び膜厚に差が生じ、例えば、同心円状の組成及び膜厚分布が生じる。

このような、組成及び膜厚分布が生じると、ＭＱＷ活性層のＰＬ発光波長が変化し、ウエハ保持プレート１０の中央部分では、層が厚くなるために長波長になり、周辺部分では、層が薄くなるために短波長になる。図３Ｂは、図３Ａに示すウエハ保持プレート上の素子用ウエハのＡ−Ａ’線におけるＭＱＷ活性層の波長分布を示すグラフである。図３Ｂには、ウエハ保持プレートの周辺部ほど波長が短くなることが示されている。

図３Ｂに示すように、ウエハ保持プレートの中央部では、ＰＬ波長分布曲線は比較的平坦であるのに対して、ウエハ保持プレートの周辺部では、ＰＬ波長分布曲線の傾きは大きくなっている。すなわち、図３Ｂのグラフから、ウエハ保持プレートの周辺部分では、その内側に比較して極めてＰＬ波長の位置依存性が大きいことがわかる。このことは、ウエハ保持プレートの周辺部分では、その内側に比較して成長層の組成及び膜厚のばらつきが大きくなることを示している。
したがって、モニターウエハを、ウエハ保持プレートの周辺部分に配置すると、モニターウエハ上に成長された化合物半導体層の組成及び膜厚のばらつきが大きくなり、精度よく、素子用ウエハ上に成長される化合物半導体層を監視することができない。

しかしながら、本実施の形態では、矩形形状のモニターウエハ保持部１４を、その１つの角が２つの素子用ウエハ保持部１１，１２の間に割り込むように設けられているので、素子用ウエハの外側に配置した場合であっても、モニターウエハ保持部１４をウエハ保持プレートの中心に最も近い位置に形成することができ、素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層の組成及び膜厚を精度よくモニターすることができる。

具体的には、本実施の形態のモニターウエハ保持部１４に配置されたモニターウエハの上には、バラツキ（組成及び膜厚のバラツキ）の小さいモニター用の化合物半導体層を成長させることができ、かつそのモニター用の化合物半導体層の組成及び膜厚は、素子用ウエハのなかで比較的安定して成長される化合物半導体層（例えば、図３Ｂにおいて、０ｍｍ〜３０ｍｍの位置に示されている部分に成長される安定領域の化合物半導体層）の組成及び膜厚に近いものとなるので、その安定領域の化合物半導体層の組成及び膜厚を精度よくモニターすることができる。
これに対して、従来のように、矩形や円形のモニターウエハをウエハ保持プレートの周辺部に配置したものでは、素子用ウエハ上に成長させる化合物半導体層の組成と膜厚を正確にモニターすることはできない。

本発明の効果を確認するために、図１に示す実施の形態のウエハ保持プレート１０を用いた場合と、図４に示す比較例（従来例）のウエハ保持プレート１０１を用いた場合とについて比較検討をおこなった。
本比較検討では、図１に示す実施の形態のウエハ保持プレート１０と、図４に示す比較例のウエハ保持プレート１０１とについてそれぞれ、同一条件の成長を１０回繰り返し、各回ごとに素子用ウエハ上とモニター用ウエハ上に成長された化合物半導体のＰＬ波長をそれぞれ評価した。

この比較例のウエハ保持プレート１０１は、２インチφの素子用ウエハを３つ配置することができるように素子用ウエハ保持部１１，１２，１３が３箇所形成されており、周辺部にはモニタウエハ保持部１１４，１１５，１１６が隣接する素子用ウエハ保持部の間に設けられている。モニタウエハ保持部１１４，１１５，１１６は、矩形のモニタウエハ用に矩形形状を有しており、その長手方向の辺がウエハ保持プレートの放射方向に直交するように設けられている。

これに対して、図１に示す本実施の形態のウエハ保持プレートは、比較例と同様、２インチφの素子用ウエハを３つ配置することができるように素子用ウエハ保持部１１，１２，１３が３箇所形成されているが、モニターウエハ保持部１４は、その１つの角が隣接する２つの素子用ウエハ保持部１１，１２の間に割り込むように設けられている。
尚、実施の形態に係るウエハ保持プレート１０のモニタウエハ保持部１４は、配置される方向は比較例のモニタウエハ保持部１１４とは異なっているが、モニタウエハ保持部１１４と大きさ及び形状は同一である。

表１は、比較例のウエハ保持プレート１０１を用いて、各回ごとにそれぞれウエハを取り替えて化合物半導体層の成長を１０回繰り返し、各回ごとに素子用ウエハとモニター用ウエハの各中心部におけるＰＬ波長を測定した結果を示したものである。

表１

また、表２は、実施の形態のウエハ保持プレートを用いて、それぞれの回ごとにウエハを取り替えて化合物半導体層の成長を１０回繰り返し、各回ごとに素子用ウエハとモニター用ウエハの各中心部におけるＰＬ波長を測定した結果を示したものである。

表２

表１に示すように、図４に示す比較例のウエハ保持プレート１０を用いた場合には、素子用ウエハ上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長は繰り返しによるばらつきは少なく安定していたが、モニター用ウエハ上に成長された化合物半導体のＰＬ波長は、素子用ウエハ上に比較してバラツキが大きいものであった。

これに対して、図１に示す実施の形態のウエハ保持プレート１０を用いた場合には、表２に示すように、素子用ウエハ上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長は繰り返しによるばらつきは少なく安定し、モニター用ウエハ上に成長された化合物半導体のＰＬ波長も素子用ウエハ上のものと同程度に安定していた。

すなわち、従来のウエハ保持プレートを用いた場合、モニターウエハ上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長の最大値と最小値の差は、１３ｎｍであるのに対して、実施の形態のウエハ保持プレートを用いた場合には、その最大値と最小値の差は、４ｎｍであった。
また、従来のウエハ保持プレートを用いた場合の、素子用ウエハの上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長と、モニターウエハ上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長の間の波長差は、１３ｎｍ〜２８ｎｍであったが、実施の形態のウエハ保持プレートを用いた場合には、その波長差は、１ｎｍ〜６ｎｍであった。

尚、上記検討に用いた実施の形態のウエハ保持プレートでは、好ましい形態として、隣接する２つの素子用ウエハ保持部の間に割り込んでいる角を形成する２つの辺がそれぞれ、ウエハ保持プレートの放射方向に対して４５度の角度をなすように形成されている。

以上のように本発明に係る実施の形態のウエハ保持プレート１０において、そのモニターウエハ保持部１４はその１つの角が、隣接する２つの素子用ウエハ保持部１１，１２の間に割り込むように設けられて、その角がモニターウエハ保持部１４の中でウエハ保持プレート１０の中心に最も近くなるように配置されているので、素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層（特に、素子用ウエハ上の安定領域に成長される化合物半導体層）の組成及び膜厚を精度よくモニターすることができる。

これにより、素子用ウエハの上に成長される化合物半導体層、特に、素子用ウエハ上の安定領域に成長される化合物半導体層の組成及び膜厚を高い精度で制御でき、製造歩留まりを向上させることができる。

変形例．
以上の実施の形態では、矩形形状のモニター用ウエハを用いた例により説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、素子用ウエハを４分割して形成した扇型のウエハをモニター用ウエハとして用いてもよい。
すなわち、この変形例におけるウエハ保持プレート１０ａは、扇型のモニター用ウエハの中心の角（かど）が、隣接する２つの素子用ウエハ保持部１１，１２の間に割り込むようにモニターウエハ保持部１５が設けられている。すなわち、モニターウエハ保持部１５は、素子用ウエハ保持部１１〜１３の外側に配置されているが、その扇型の中心がモニターウエハ保持部１５の中でウエハ保持プレート１０の中心に最も近くなるように配置される。
尚、図５に示す変形例では、扇型の中心角を挟む２つの辺がそれぞれ、ウエハ保持プレートの放射方向に対して４５度になるように、モニターウエハ保持部１５が形成されることが好ましい。

以上のように構成された変形例のウエハ保持プレート１０ａを用いても、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

本発明に係る実施の形態のウエハ保持プレートの平面図である。 ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の概要を示す模式図である。 ウエハ保持プレートの素子用ウエハの配置を示す平面図である。 素子用ウエハ上に成長された化合物半導体層のＰＬ波長分布を、図３ＡのＡ−Ａ’線について示すグラフである。 比較例のウエハ保持プレートの平面図である。 本発明に係る変形例のウエハ保持プレートの平面図である。 １．３μｍ帯ファブリーペローレーザダイオードの半導体積層構造を示す断面図である。

符号の説明

１０，１０ａ ウエハ保持プレート、１１，１２，１３ 素子用ウエハ保持部、１４，１５ モニターウエハ保持部、２１ サセプタ、２７ 高周波加熱コイル、２８ 反応炉（リアクタ）。

Claims (4)

1. 複数の素子用ウエハ上に化合物半導体を成長させる反応炉内において、上記複数のウエハを保持するウエハ保持プレートであって、
   上記ウエハ保持プレートの一方の主面には、上記各素子用ウエハにそれぞれ対応して形成された複数の素子用ウエハ保持部の他に、該複数の素子用ウエハ保持部の外側の位置でモニター用ウエハを保持するモニターウエハ保持部を有し、
   上記モニターウエハ保持部は、２つの辺に挟まれた角を有しており、その角が上記モニターウエハ保持部の中で上記ウエハ保持プレートの中心に最も近くなるように、上記複数の素子用ウエハ保持部のうちの隣接する２つの素子用ウエハ保持部の間に設けられていることを特徴とするウエハ保持プレート。
2. ２つの辺に挟まれた角の角度は、直角である請求項１記載のウエハ保持プレート。
3. 上記モニター用ウエハは、上記素子用ウエハが分割された扇型のウエハである請求項１記載のウエハ保持プレート。
4. 上記モニター用ウエハは、矩形である請求項２記載のウエハ保持プレート。
   

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