JP2006012951A

JP2006012951A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2006012951A
Application number: JP2004184632A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Mori; 裕一毛利; Yuzo Tsuda; 有三津田; Nakao Akutsu; 仲男阿久津
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Sharp Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Sharp Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】サセプタの温度分布を低減し、ウェハの膜厚や発光波長の基板内分布が改善された横型気相成長装置を提供する。
【解決手段】誘導加熱型のサセプタ上に載置した基板の基板面に対して平行に原料ガスを流して基板表面に結晶を成長させる横型気相成長装置であって、前記サセプタは、前記基板を載置する面と反対の面の中央部であって、前記基板を載置する面に垂直方向に熱電対が挿入されるための熱電対用穴を有し、かつ、前記基板を載置する面と反対の面の中央部に窪みを有する気相成長装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、横型気相成長装置に関し、特に、基板面内の温度分布の均一性を向上させる装置に関する。

原料ガスを基板面に対して平行に供給する横型の気相成長装置は、原料ガスを基板面に対して略垂直に供給する縦型の気相成長装置に比べ、熱対流の影響が小さく、ガス流の形が比較的単純である。このため、横型の気相成長装置は、実験機から実用機への拡大設計が比較的容易であるなどの理由により、ＧａＡｓ系やＧａＮ系などの化合物半導体製造用の成長装置として、広く利用されている。

図４は、従来の横型気相成長装置における基板を加熱する機構の部分を拡大した図である（例えば、特許文献１参照）。フローチャネル４１には、開口部４１ａが設けられている。フローチャネル４１内の開口部４１ａに設けられているサセプタ４２上に基板（図示せず）が載置される。サセプタ４２は、サセプタ受け４３を介して、シャフト４４に、接続されている。サセプタ４２と基板とは、シャフト４４の回転により回転する。フローチャネルの開口部４１ａの周囲に配設した誘導加熱コイル４５は、誘電加熱により、サセプタ４２を介して、基板を加熱する。サセプタ温度は、熱電対用穴４７に挿入された熱電対４８を用いて測定することができる。基板温度は、フローチャネル４１の上方に設けられた放射温度計４６を用いて測定される。原料や反応物がフローチャネル内壁に付着して放射温度計を用いた基板温度測定ができない場合には、予め基板温度とサセプタ温度の相関関係を把握しておき、サセプタ温度から基板温度を見積もることができる。

原料ガスは、図４の矢印の方向に流れる。フローチャネル左方の原料ガス入り口から供給された所定の原料ガスは、高温状態の基板上に基板面に対して平行に流すことにより、熱分解し、分解したガス分子が基板の表面に堆積して、薄膜が形成される。反応後の残渣ガスや未反応の原料ガスは、フローチャネル右方から排出される。

また、この図の例では、誘導加熱コイルを用いて誘電加熱により、サセプタを加熱している。誘電加熱を行うと、抵抗加熱ヒータを用いるよりも、サセプタの加熱のスピードを速くすることができ、基板の温度管理が容易となるからである。

図５は、従来技術のサセプタの構造を示す図である。図５（ａ）は、従来技術のサセプタの断面構造を示す図である。このサセプタは円柱状をしており、基板載置面とは反対の面に、基板載置面と垂直方向に熱電対用穴５５が設けられている。この熱電対用穴５５は熱電対の設置に十分なサイズ（直径１０ｍｍ程度以下）でありサセプタ直径に比べて小さく、熱電対用穴５５の有無によって基板載置面の温度分布が影響をうけることはない。熱電対による温度測定の必要がない場合には、図５（ｂ）に示すように、熱電対用穴のないサセプタが用いられる。図５（ｃ）は、従来技術にかかるサセプタの使用状態を説明する図である。図５（ｃ）に示すように、このサセプタ５１上に設けられた石英トレイ５３を介して、基板５４が載置されている。石英トレイ５３は、サセプタ５１上に反応物が付着することを防止する目的で用いられる。

特開平８−１３９０３４号公報（図１、段落０００２）

しかし、横型の気相成長装置では、基板面内で、温度を均一にするのが難しいという問題がある。これは、フローチャネル左方から十分に温められていない原料ガスおよびキャリアガスが供給されるので、サセプタの熱が供給ガスに奪われるため、フローチャネル上流側に位置する基板の温度が特に下がりやすくなることによる。また、サセプタを回転する場合は、回転により、基板周縁の温度が、特に下がりやすくなることによる。このような不均一な温度分布は、成長後のウェハに膜厚分布や波長分布を生ずる原因になる。さらには、ウェハから分割されたデバイスの特性にばらつきを生ずる。

特に、直径が２インチ程度以上の基板サイズの基板では、温度の均一性を保つことが難しくなる。この場合に、サセプタの基板載置面を、基板サイズに比して大きくすれば、温度の均一性は改善される。しかし、サセプタを大きくしすぎると、サセプタを昇温・降温する際に、温度制御が容易でなく、温度を安定させるために時間がかかるという、温度分布とは別の問題が生ずる。このため、基板サイズが変わっても、温度の均一性を保ちつつ、温度制御が容易で、短時間で温度の安定化が図れるサセプタ構造を有する横型気相成長装置の開発が望まれる。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、その目的は、サセプタの温度分布を低減し、ウェハの膜厚や発光波長の基板内分布が改善された横型気相成長装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の気相成長装置は、誘導加熱型のサセプタ上に載置した基板の基板面に対して平行に原料ガスを流して基板表面に結晶を成長させる横型気相成長装置であって、前記サセプタは、基板載置を載置する面と反対の面の中央部であって、前記基板面の垂直方向に熱電対用穴が設けられ、前記基板を載置する面と反対の面の中央部に前記熱電対用穴よりも断面積の大きい窪みを有することを特徴とする。この構成によると、サセプタの基板載置面の温度を均一化することができ、ひいては基板の温度分布を軽減することができる。なお、本明細書中で、窪みと熱電対用穴の断面積とは、サセプタの上面に平行な断面の面積をいう。

前記熱電対用穴は、前記基板を載置する面に平行な断面においてサセプタの中心に位置し、かつ、前記窪みの側面は、基板を載置する面に平行な断面において、サセプタの側面と同心状であればよい。窪みが、サセプタの中心軸に対して、対称に形成されているので、基板の温度分布を効率よく軽減できる。

前記サセプタは、円柱状に形成されていてもよい。サセプタを円柱状に形成すると、基板を回転させながら気相成長を行なう場合に、サセプタ回転に伴う原料ガス流の乱れを低減することができる。

前記基板の幅をＷ、前記サセプタの直径をＤ、前記サセプタの高さをＨ、前記サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ、前記サセプタに設けられた窪みの深さをｈとしたときに、これらの値が、下記式
１．２Ｗ＜Ｄ＜２Ｗ
０．５Ｄ＜Ｈ＜２Ｄ
０．３Ｄ＜ｄ＜０．８Ｄ
０．３Ｈ＜ｈ＜０．８Ｈ
を満たす範囲にあればよい。

サセプタと窪みとが、上記関係を満たせば、基板サイズが変わっても、温度の均一性を保ちつつ、温度制御が容易で、短時間で温度の安定化を図ることができるサセプタ構造を有する横型気相成長装置が得られる。

また、本発明の気相成長装置は、誘導加熱型のサセプタ上に載置した基板の基板面に対して平行に原料ガスを流して基板表面に結晶を成長させる気相成長装置であって、前記サセプタは円柱形で前記基板を載置する面と反対の面の中央部に窪みを有し、前記窪みはサセプタの上面に平行な断面においてサセプタの側面と同心状であり、前記基板の幅をＷ、前記サセプタの直径をＤ、前記サセプタの高さをＨ、前記サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ、前記サセプタに設けられた窪みの深さをｈとしたときに、これらの値が、
１．２Ｗ＜Ｄ＜２Ｗ
０．５Ｄ＜Ｈ＜２Ｄ
０．３Ｄ＜ｄ＜０．８Ｄ
０．３Ｈ＜ｈ＜０．８Ｈ
を満たす範囲にあることを特徴とする。

本発明の気相成長装置は、前記基板を載置する面と反対の面の中央部に窪みを有するサセプタを用いる。この窪みを設けることにより、サセプタの基板載置面における温度を均一化することができ、ひいては基板の温度分布を軽減することができる。

また、基板サイズに応じて、温度の均一性を保ちつつ、温度制御が容易で、短時間で温度の安定化を図ることができるサセプタの形状を容易に設計することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、これらによって限定されるものではない。

図１は、本発明の気相成長装置における基板を加熱する機構の部分を拡大した図である。横型のフローチャネル１には、開口部１ａが設けられている。フローチャネル１内の開口部１ａに設けられているサセプタ２上に基板（図示せず）が載置される。サセプタ２は、サセプタ受け３を介して、シャフト４に、接続されている。サセプタ２と基板とは、シャフト４の回転により回転する。シャフト４は、図示しない回転駆動機構に接続されている。フローチャネルの開口部１ａの周囲に配設した誘導加熱コイル５は、誘電加熱により、サセプタ２を介して、基板を加熱する。サセプタ温度は、基板載置面と反対の面に基板載置面に垂直方向に設けられた熱電対用穴７に挿入された熱電対８を用いて測定することができる。基板温度は、フローチャネル１の上方に設けられた放射温度計６を用いて測定することができる。原料や反応物がフローチャネル内壁に付着して放射温度計を用いた基板温度測定ができない場合には、原料や反応物の付着が無い状態で予め基板温度とサセプタ温度の相関関係を測定しておき、サセプタ温度から基板温度を換算して見積もることができる。なお、以下の説明においては、この放射温度計を用いて基板を載置していないサセプタ表面の温度測定も行なう。

原料ガスは、図１の矢印に示すように、フローチャネル１の左方（以下、上流という）から供給され、サセプタ上を通過して、フローチャネル１の右方（以下、下流という）で、排出される。

本発明者らは、種々のサセプタ形状について温度分布を検討したところ、図２に示すように、窪みを有するサセプタにおいて基板載置面の温度分布が改善されることを見出した。すなわち、本発明におけるサセプタは、基板を載置する面と反対の面の中央部に窪みを有する点で、従来のサセプタとその構造が異なる。図２は、本発明にかかるサセプタの構造を示す図である。図２（ａ）はその断面図であり、円柱状のサセプタに、熱電対用穴２５と熱電対用穴２５の直径ｄ’よりも直径ｄの大きい円柱状の窪み２２が設けられている。熱電対による温度測定が必要ない場合には、図２（ｂ）に示すように、熱電対用穴のないサセプタを用いることもできる。

図２（ｃ）は、本発明にかかるサセプタの使用状態を説明する図である。図２（ｃ）に示すように、サセプタ２１上に設けられた石英トレイ２３を介して、基板２４が載置されている。石英トレイ２３は、サセプタ２１上に反応物が付着することを防止する目的で用いられる。石英トレイ２３は、サセプタ２１に固定するための窪みを有する。また、石英トレイ２３の上面には、基板載置領域の表面と周辺領域の表面との間に、基板の厚さ程度の段差が設けられ、基板載置領域の表面に基板が載置された際には、周辺領域の表面と基板の表面がほぼ同一平面上に位置するように設定されている。サセプタ２１は、カーボンで形成され、表面にＳｉＣをコーティングしている。

図２の例では、サセプタの形状は、円柱状である。サセプタの形状が円柱状であれば、基板を回転させながら気相成長を行う場合に、サセプタ回転に伴う原料ガス流の乱れが生じにくいため、好ましい。一方、気相成長を行う際に基板を回転させない場合や、原料ガス流の乱れが生じにくい成長条件で気相成長を行う場合には、サセプタの形状は、円柱状に限定されない。

また、図２の例では、サセプタに設ける窪みの形状は円柱状であるが、サセプタに設ける窪みの形状は、円柱状に限られない。例えば、円錐状、円錐台、半球状などであっても良く、窪みの形状に依らず基板載置面での温度が窪みのない場合に比べて均一化されることが確認できる。また、前記窪みの側面は、サセプタの上面に平行な断面において、サセプタの側面と同心状であると、基板載置面での温度分布をいっそう低減することができ好ましい。なお、サセプタに設ける窪みは、空洞であってもよく、ＢＮ（窒化ホウ素）やサファイアなどの誘導加熱されない材料がはめ込まれていても良い。

サセプタの形状が円柱状である場合には、前記基板の幅をＷ、前記サセプタの直径をＤ、前記サセプタの高さをＨ、前記サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ、前記サセプタに設けられた窪みの深さをｈとしたときに、これら値が、下記式
１．２Ｗ＜Ｄ＜２Ｗ
０．５Ｄ＜Ｈ＜２Ｄ
０．３Ｄ＜ｄ＜０．８Ｄ
０．３Ｈ＜ｈ＜０．８Ｈ
を満たす範囲にあれば、基板サイズに応じて、温度の均一性を保ちつつ、温度制御が容易で、短時間で温度の安定化を図ることができるので、好ましい。ここで、基板の幅Ｗとは、基板領域内に引くことができる最長の直線距離を意味する。

（実施例１）
２インチ（Ｗ：５０．８ｍｍ）基板用の気相成長装置に用いる図２（ａ）の形状のサセプタを製造した。サセプタのサイズは、サセプタの直径Ｄ：７０ｍｍ、サセプタの高さをＨ：６５ｍｍ、サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ：４０ｍｍ、サセプタに設けられた窪みの深さをｈ：４１ｍｍとした。熱電対用穴については、直径ｄ’：１０ｍｍ、高さ（サセプタ下面から熱電対用穴上部までの距離）ｈ’：５１ｍｍとした。

これらの値は、上記式を、以下のように満たす。
１．２Ｗ（＝６１ｍｍ）＜Ｄ（＝７０ｍｍ）＜２Ｗ（＝１０１ｍｍ）
０．５Ｄ（＝３５ｍｍ）＜Ｈ（＝６５ｍｍ）＜２Ｄ（＝１４０ｍｍ）
０．３Ｄ（＝２１ｍｍ）＜ｄ（４０ｍｍ）＜０．８Ｄ（＝５６ｍｍ）
０．３Ｈ（＝１９．５ｍｍ）＜ｈ（＝４１ｍｍ）＜０．８Ｈ（＝５２ｍｍ）

（比較例１）
従来の２インチ基板用のサセプタとして、図５の形状の、窪みを有しない、直径：７０ｍｍ、高さ：６５ｍｍの円柱状のサセプタを製造した。熱電対用穴については、直径：１０ｍｍ、高さ（サセプタ下面から熱電対用穴上部までの距離）：５１ｍｍとした。

［温度分布の評価試験］
高周波コイルに周波数３０ｋＨｚの交流電流を流すことにより、サセプタを誘電加熱して、サセプタの中心温度を８００℃にした。反応炉内に流速８８ｃｍ／秒で水素を流したときの、サセプタ表面の温度分布を、反応炉上部に設置した放射温度計を用いて評価した。結果を図３に示す。図３は、サセプタ表面の温度分布を示すグラフである。サセプタ上には基板も石英トレイも載せていない状態での評価結果である。

図３（ａ）は、サセプタを回転させなかった場合のサセプタ表面の温度分布を示すグラフである。グラフ中、横軸は、基板載置面の中心を０として、マイナス方向が上流側、プラス方向が下流側を示し、縦軸は放射温度計で測定したサセプタ表面温度である。実線で示される曲線３１は、本発明の実施例１のサセプタにおける温度分布を表し、破線で示される曲線３２は、比較例１のサセプタにおける温度分布を表す。このグラフから明らかなように、実施例１のサセプタでは、比較例１のサセプタに比べて、サセプタの最上流部での温度低下が軽減された。

図３（ｂ）は、サセプタを２０ｒｐｍで回転させた場合のサセプタ表面の温度分布を示すグラフである。横軸、縦軸の意味は、図３（ａ）と同様である。実線で示される曲線３３は、本発明の実施例１のサセプタにおける温度分布を表し、破線で示される曲線３４は、比較例１のサセプタにおける温度分布を表す。このグラフから、温度分布として、２インチ（＋２５ｍｍから−２５ｍｍの範囲内）での「温度の最大値と最小値との差」を比較すると、実施例１のサセプタでは、２℃であるのに対し、比較例１のサセプタでは７℃となることがわかった。

サセプタ中心の温度を変えて、サセプタを２０ｒｐｍで回転させた場合のサセプタ表面の温度分布を評価した。結果を表１に示す。

この表から明らかなように、本願発明の気相成長装置の温度分布は、比較例の気相成長装置に比べて、７００℃程度以上の温度において、温度分布を改善することがわかった。

また、基板サイズを２インチより大きくし、上記式の範囲になるように設計したサセプタを用いて、温度分布を評価すると、同様に温度分布が改善されていた。また、昇温・降温の温度制御も容易で、温度が安定するまでの時間も短かった。なお、熱電対用穴を有しないサセプタ（図２ｂに示す構造）について同様の手法で温度分布を評価したところ、上記結果と同一の結果が得られ、熱電対用穴は温度分布に影響を与えないこと、窪みを設けることにより温度分布が改善できること、が確認された。

［波長分布評価試験］
実施例１、比較例１のサセプタに図２（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、石英トレイを介して、直径２インチ（約５２ｍｍ）のサファイア基板を載置して、窒化物半導体（ＩｎＧａＮのＭＱＷ（多重量子井戸））の結晶成長を行った。

実施例１、比較例１のサセプタ上にそれぞれ載置されたサファイア基板上にＧａＮを３μｍ成長させた後、ＩｎＧａＮ井戸層（厚さ４ｎｍ）とＧａＮ障壁層（厚さ８ｎｍ）を交互に５周期積層し、多重量子井戸構造を作製した。ＧａＮの成長においては、基板温度は、１，０５０℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを用いた。また、基板は回転させなかった。ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の作製においては、基板温度は、７５０℃とし、基板を回転させた。原料ガスとしては、ＴＭＧと、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）と、アンモニアとを用いた。

ＩｎＧａＮ量子井戸構造において、発光波長はＩｎＧａＮ井戸層に取り込まれるＩｎ量により変化する。Ｉｎ量はＩｎＧａＮ井戸層が形成される時の基板温度に敏感であるため、基板温度の分布がおおきいと、基板面内での発光波長の不均一が大きくなってしまう。そこで、基板温度分布の指標として、ＩｎＧａＮ量子井戸構造の発光波長分布を確認した。具体的には、フォトルミネッセンス測定を行い、２インチウェハ面内の波長分布（２インチウエハ面内での発光波長の、最大値と最小値との差）を評価した。

比較例１のサセプタを用いた場合、基板外周部ほど発光波長は、長波長化し、２インチ基板内での波長分布は、１８ｎｍであった。一方、実施例１のサセプタを用いた場合、基板外周部では、比較例１のサセプタを用いた場合と同様に、長波長化する傾向はあった。しかし、２インチ基板内での波長分布は、５ｎｍと、波長分布が改善された。

図１は、本発明の気相成長装置における基板を加熱する機構の部分を拡大した図である。図２は、本発明にかかるサセプタの断面構造を示す図である。図２（ａ）は、本発明にかかるサセプタの断面構造を示す図である。図２（ｂ）は、本発明にかかるサセプタの断面構造を示す図である。図２（ｃ）は、本発明にかかるサセプタの使用状態を説明する図である。図３は、サセプタ表面の温度分布を示すグラフである。図３（ａ）は、サセプタを回転させなかった場合のサセプタ表面の温度分布を示すグラフである。図３（ｂ）は、サセプタを２０ｒｐｍで回転させた場合のサセプタ表面の温度分布を示すグラフである。図４は、従来の横型気相成長装置における基板を加熱する機構の部分を拡大した図である。図５は、従来技術のサセプタの構造を示す図である。図５（ａ）は、従来技術にかかるサセプタの断面構造を示す図である。図５（ｂ）は、従来技術にかかるサセプタの断面構造を示す図である。図５（ｃ）は、従来技術にかかるサセプタの使用状態を説明する図である。

符号の説明

１、４１フローチャネル
１ａ、４１ａ開口部
２、４２サセプタ
３、４３サセプタ受け
４、４４シャフト
５、４５誘導加熱コイル
６、４６放射温度計
７、４７熱電対用穴
８、４８熱電対
２１、５１サセプタ
２２窪み
２３、５３石英トレイ
２４、５４基板
２５、５５熱電対用穴

Claims

誘導加熱型のサセプタ上に載置した基板の基板面に対して平行に原料ガスを流して基板表面に結晶を成長させる気相成長装置であって、
前記サセプタは、
前記基板を載置する面と反対の面の中央部であって、前記基板を載置する面に垂直方向に熱電対が挿入されるための熱電対用穴を有し、かつ、
前記基板を載置する面と反対の面の中央部に、前記熱電対用穴よりも断面積の大きい窪みを有する、
ことを特徴とする横型気相成長装置。
前記熱電対用穴は、前記基板を載置する面に平行な断面においてサセプタの中心に位置し、かつ、
前記窪みの側面は、前記基板を載置する面に平行な断面において、サセプタの側面と同心状であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
前記サセプタは、円柱状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
前記基板の幅をＷ、前記サセプタの直径をＤ、前記サセプタの高さをＨ、前記サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ、前記サセプタに設けられた窪みの深さをｈとしたときに、これらの値が、下記式
１．２Ｗ＜Ｄ＜２Ｗ
０．５Ｄ＜Ｈ＜２Ｄ
０．３Ｄ＜ｄ＜０．８Ｄ
０．３Ｈ＜ｈ＜０．８Ｈ
を満たす範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
誘導加熱型のサセプタ上に載置した基板の基板面に対して平行に原料ガスを流して基板表面に結晶を成長させる気相成長装置であって、
前記サセプタは円柱形で前記基板を載置する面と反対の面の中央部に窪みを有し、
前記窪みはサセプタの上面に平行な断面においてサセプタの側面と同心状であり、
前記基板の幅をＷ、前記サセプタの直径をＤ、前記サセプタの高さをＨ、前記サセプタに設けられた窪みの最大直径をｄ、前記サセプタに設けられた窪みの深さをｈとしたときに、これらの値が、下記式
１．２Ｗ＜Ｄ＜２Ｗ
０．５Ｄ＜Ｈ＜２Ｄ
０．３Ｄ＜ｄ＜０．８Ｄ
０．３Ｈ＜ｈ＜０．８Ｈ
を満たす範囲にあることを特徴とする気相成長装置。