JP2006070325A - Cvd system for high temperature use - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high temperature vapor deposition system which solves the problem that, though the conventional MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) system is used for the deposition of a thin film of GaN or the like, a substrate temperature is increased only to about 1,000 to 1,100°C at the most, and can heat a substrate to about 1,800°C, so as to grow a thin film. <P>SOLUTION: In the system, a flow channel is produced by carbon (C), molybdenum (Mo), pyrolytic graphite (PG), PG coat carbon, TaC coat carbon or conductive BN, a window for holding a substrate is opened in the upper sidewall of the flow channel, a substrate is held to the window downward by an opened substrate holder, the upper part of the flow channel window is provided with a resistance heating heater freely ascendable and descendable, radiation heat is generated from the upper part to the lower part to heat the substrate and the flow channel, and gaseous starting materials of ammonia and organometallic gas such as TMA (trimethylaluminum) are fed from cooled two gaseous starting material nozzles, so as to grow an AlN thin film on the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明はAlN薄膜の成長に好適な1800℃での成長が可能な高温用CVD装置を提供することを目的とする。サファイヤ基板の上にGaN、InGaN薄膜など窒化物半導体薄膜を成長させるMOCVD法の場合加熱温度は1000℃とか1100℃程度であった。よほど高くても1300℃が限度であった。だから1300℃以上に基板を加熱できる窒化物半導体用MOCVD装置は存在しない。
現在用いられているGaN、InGaN成長用MOCVD装置はサファイヤ基板をサセプタの上において、下から基板を加熱し横方向から原料ガス(アンモニア、TMG、TMI、TMA)を流して基板の上にGaN、InGaN、AlGaNなどの薄膜を成長させるものである。InGaN系の発光ダイオードは青色発光できるが、それより短い波長の光を発生することができない。
It is an object of the present invention to provide a high-temperature CVD apparatus capable of growing at 1800 ° C. suitable for growing an AlN thin film. In the MOCVD method in which a nitride semiconductor thin film such as a GaN or InGaN thin film is grown on a sapphire substrate, the heating temperature is about 1000 ° C. or about 1100 ° C. Even if it was very high, 1300 ° C was the limit. Therefore, there is no nitride semiconductor MOCVD apparatus capable of heating the substrate to 1300 ° C. or higher.
The currently used MOCVD apparatus for growing GaN and InGaN has a sapphire substrate on the susceptor, the substrate is heated from below, and a source gas (ammonia, TMG, TMI, TMA) is flowed from the lateral direction to GaN, A thin film such as InGaN or AlGaN is grown. InGaN-based light emitting diodes can emit blue light but cannot generate light having a shorter wavelength.

250nm〜300nmの紫外光を発光する発光ダイオード、半導体レーザはInGaN系では不可能である。もっとバンドギャップの広い材料が必要である。本発明者はそのような紫外光を出す発光素子の材料としてAlNに着目している。AlNはGaNよりバンドギャップが広く紫外光のエネルギーに対応する広さをもっている。AlNはバンドギャップが広いので紫外線発光ダイオードの可能性がある。だからAlNの薄膜構造がうまくできれば200nm〜300nmの紫外線を出す発光素子ができる筈である。   Light-emitting diodes and semiconductor lasers that emit ultraviolet light of 250 nm to 300 nm are not possible with the InGaN system. A material with a wider band gap is required. The inventor of the present invention pays attention to AlN as a material of a light emitting element that emits such ultraviolet light. AlN has a wider band gap than GaN and a width corresponding to the energy of ultraviolet light. Since AlN has a wide band gap, it may be an ultraviolet light emitting diode. Therefore, if the thin film structure of AlN can be made well, a light emitting element that emits ultraviolet rays of 200 nm to 300 nm should be able to be produced.

さらに進んで、もしも、250nm以下の波長のレーザ光を出すことができる高効率、高出力、小型の半導体レーザができれば、加工用、医療用、殺菌用の光源として有用なものとなろう。波長が短いのでより記録密度の高い光ディスクの書き込み・読み出し光として使えるかもしれない。さらに超高周波デバイスや、超高出力電子デバイスを製作できるようになるかもしれない。   Further, if a high-efficiency, high-power, small-sized semiconductor laser capable of emitting laser light with a wavelength of 250 nm or less can be produced, it will be useful as a light source for processing, medical use, and sterilization. Since the wavelength is short, it may be used as writing / reading light for optical disks with higher recording density. Furthermore, it may be possible to manufacture ultra high frequency devices and ultra high power electronic devices.

上に述べたものの他に独自の用途もある。紫外線発光ダイオードは炎のセンサとして利用できる可能性がある。火炎は様々の波長の光を含むが可視光で炎を検出しようとすると誤動作の可能性がある。紫外線は炎に固有だから間違いなく火炎を検出できると言われている。   In addition to the ones mentioned above, there are also unique applications. Ultraviolet light emitting diodes may be used as flame sensors. The flame contains light of various wavelengths, but there is a possibility of malfunction when attempting to detect the flame with visible light. It is said that ultraviolet rays can be detected without fail because ultraviolet rays are inherent to flames.

AlN基板はCrystalISから販売されているが日本企業は販売していない。一般には、サファイヤ又はSiC基板の上にAlN薄膜を成長させて発光ダイオードを製造するという試みがなされる。薄膜の厚さは0.1μm〜0.5μmの程度の薄いものである。n−、p−のAlN又はAlGaN薄膜を基板の上に作る実験がなされる。アンモニアと有機金属を原料とするMOCVD法が有望とされる。   AlN substrates are sold by CrystalIS, but not by Japanese companies. Generally, an attempt is made to produce a light emitting diode by growing an AlN thin film on a sapphire or SiC substrate. The thickness of the thin film is as thin as about 0.1 μm to 0.5 μm. Experiments are made to make n-, p- AlN or AlGaN thin films on a substrate. The MOCVD method using ammonia and an organic metal as raw materials is promising.

有機金属原料を用いたMOCVD法はサファイヤ基板の上にInGaN、GaN薄膜を作るGaN系発光ダイオードの製造に広く用いられている。GaN系の薄膜は1000℃〜1100℃程度で良質のものができる。AlN薄膜をGaNと同じような装置で作るという試みはなされているが良い結果をもたらさない。未だ満足なAlN薄膜を再現性良く製造する技術はない。その原因はいろいろあろうが一つは成膜温度が低すぎるということであろうと本発明者は考える。
より高い温度たとえば1800℃程度の高温のMOCVD法で作製するとAlNの良好な薄膜ができるのではないかと期待される。
The MOCVD method using an organic metal raw material is widely used in the manufacture of GaN-based light emitting diodes for forming InGaN and GaN thin films on a sapphire substrate. A GaN-based thin film having a good quality can be obtained at about 1000 ° C. to 1100 ° C. Attempts have been made to make AlN thin films with equipment similar to GaN, but do not produce good results. There is still no technology for producing a satisfactory AlN thin film with good reproducibility. The inventor thinks that there are various reasons, but one is that the film forming temperature is too low.
It is expected that a good thin film of AlN can be formed by manufacturing at a higher temperature, for example, a high temperature MOCVD method of about 1800 ° C.

特開平10−167897号「GaN膜の成長方法」Japanese Patent Laid-Open No. 10-167897 “Growth Method of GaN Film”

特開平8−139026号「薄膜気相成長装置」JP-A-8-139026 “Thin Film Vapor Deposition Apparatus”

特開平7−78773号「薄膜気相成長装置」Japanese Patent Laid-Open No. 7-78773 “Thin Film Vapor Deposition Apparatus”

CVD装置には縦型と横型がある。本発明は横型の範疇にある。横型CVD装置の従来技術を述べる。特許文献1には、上向きに基板をサセプタに保持し、フローチャネルの経路の一部に露呈させ下からヒータ加熱し、原料ガスを横方向に流し斜め下向き水素のパージガスで原料ガスを基板へ押し付け基板上で反応を起こさせ基板上にGaN薄膜を堆積させる装置が提案される。下から加熱されるフローチャネルは下が高温、上が低温になり対流が激しく原料ガスが舞い上がるので斜め下向き水素ガスで原料ガスを下向きに押さえ付け基板に強制的に接触させるのである。   There are vertical and horizontal CVD apparatuses. The present invention is in the horizontal category. The prior art of the horizontal CVD apparatus will be described. In Patent Document 1, the substrate is held upward by a susceptor, exposed to a part of the flow channel path, and heated from below, and the source gas is flowed laterally and the source gas is pressed against the substrate with an obliquely downward hydrogen purge gas. An apparatus for causing a reaction on a substrate and depositing a GaN thin film on the substrate is proposed. The flow channel heated from below has high temperature at the bottom and low temperature at the top, and the convection is so intense that the source gas rises. Therefore, the source gas is pressed downward with an obliquely downward hydrogen gas and forcedly brought into contact with the substrate.

特許文献2はGaAs成長用の横型MOCVD装置である。5族原料ガスがアンモニアでなくアルシンで成長温度も低いから事情がかなり違う。反応生成物がサセプタの軸機構へ落ちるのを防ぐためにサセプタの下方からパージガス(水素)を吹き出して生成物の落下を防ぎ原料ガスがサセプタの下方へ流れ損失となるのを防止している。特許文献3は2−6族のZnSe薄膜を作る横型MOCVD装置である。原料ガス切り換えのときにデッドスペースにガスが停留すると切り換えがシャープにならないからパージガスを吹き込むようになっている。   Patent Document 2 is a lateral MOCVD apparatus for growing GaAs. The situation is quite different because the Group 5 source gas is not ammonia but arsine and the growth temperature is low. In order to prevent the reaction product from falling to the shaft mechanism of the susceptor, purge gas (hydrogen) is blown out from below the susceptor to prevent the product from falling, and the raw material gas is prevented from flowing down to the susceptor and causing loss. Patent Document 3 is a horizontal MOCVD apparatus for producing a 2-6 group ZnSe thin film. If the gas stays in the dead space when the source gas is switched, the switching is not sharp, so purge gas is blown.

特開平11−74203号「窒化物系III−V族化合物半導体の成長方法および成長装置」JP-A-11-74203 "Growth Method and Growth Apparatus for Nitride III-V Compound Semiconductor"

特許文献4は石英管の中に基板・サセプタを置き、原料ガス+水素の混合ガスを石英管に吹き込んで圧力を1.5気圧程度にしてGaN、InGaN薄膜を成長させている。これまでのMOCVDは減圧CVD(1気圧より低い)であったが、それであると窒素が薄膜に入りにくい。それで圧力を1.2気圧以上とした加圧CVD法を提案する。基板をサセプタに下向きに保持して石英管中に置いて混合原料ガスを流し1.2気圧以上にするという方法も開示されている。熱対流が上に向かい基板面に当たるので成長が効率よく進行し窒素の離脱を防ぐことができる、と述べている。成長温度は700℃〜800℃であり、かなり低い温度である。 In Patent Document 4, a substrate and a susceptor are placed in a quartz tube, and a GaN and InGaN thin film is grown at a pressure of about 1.5 atm by blowing a mixed gas of source gas and hydrogen into the quartz tube. Conventional MOCVD has been low pressure CVD (lower than 1 atm), but it is difficult for nitrogen to enter the thin film. Therefore, a pressure CVD method in which the pressure is 1.2 atm or more is proposed. A method is also disclosed in which a substrate is held downward on a susceptor and placed in a quartz tube, and a mixed raw material gas is flowed to 1.2 atm or higher. It states that the thermal convection is directed upward and hits the substrate surface, so that the growth proceeds efficiently and the separation of nitrogen can be prevented. The growth temperature is 700 ° C. to 800 ° C., which is a considerably low temperature.

特開平7−111245号「気相成長装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-111245 “Vapor Phase Growth Device”

特許文献5は、下方から支持され昇降可能なサセプタの裏面に基板を保持し、サセプタを下降させて基板を横向き原料ガス流れの中へ導入して気相反応で薄膜を基板の上に成長させるような装置を提案している。これは基板を下向きに保持してサセプタも下から回転自在に支持するようにしているから回転動作が安定する、と主張している。 In Patent Document 5, a substrate is held on the back surface of a susceptor supported from below and can be raised and lowered, and the susceptor is lowered to introduce the substrate into a raw material gas flow so that a thin film is grown on the substrate by a gas phase reaction. Such a device is proposed. This asserts that the rotation operation is stabilized because the substrate is held downward and the susceptor is also supported rotatably from below.

しかし、これはサセプタを下から棒で支え棒を軸受で支持しているからヒータを基板の直下に設けることはできない。ヒータはサセプタの上方ゲートバルブの近くに設ける。ヒータ熱はサセプタを加熱し間接的に基板を加熱できるだけである。だから基板温度はあまり高くならない。成膜が終わったあとヒータの方へ持ち上げてゲートバルブを開きサセプタをフォークで持ち上げることになる。着脱自在としたサセプタと支柱の接触部が不安定である。これはGaN膜、AlN膜を成長させるのではない。   However, since the susceptor is supported by the rod from below and the rod is supported by the bearing, the heater cannot be provided directly under the substrate. The heater is provided near the upper gate valve of the susceptor. The heater heat can only heat the susceptor and indirectly heat the substrate. Therefore, the substrate temperature is not so high. After the film formation is finished, it is lifted toward the heater, the gate valve is opened, and the susceptor is lifted with a fork. The contact part between the removable susceptor and the column is unstable. This does not grow a GaN film or an AlN film.

図1に従来例にかかるMOCVD装置を示す。これは本発明者等がかつて製造していたものであって、横型上向き基板のMOCVD装置である。特許文献1の原型となった装置である。水平方向に伸びるフローチャネル7は角型断面をもつ流体流路である。   FIG. 1 shows a conventional MOCVD apparatus. This is a MOCVD apparatus for a horizontally upward substrate that was previously manufactured by the present inventors. This is the device that was the prototype of Patent Document 1. The flow channel 7 extending in the horizontal direction is a fluid flow path having a square cross section.

炉の中央部には、基板1を保持する基板ホルダー2を支持するためのサセプタ6が設けられる。サセプタ6は内部に抵抗加熱ヒータ3を有する。ヒータ3の下にはヒータ熱を上向きに反射するための反射板4が複数枚設けられる。熱電対5がヒータ3の上部に突出し基板ホルダー2の裏面に近接して設けられる。サセプタ6の全体は上下方向に移動できる。基板1に原料ガスを導くのは横型のフローチャネル7である。フローチャネル7の上流側には原料ガスを供給するガスノズル8が設けられる。これはアンモニアガスNHと有機金属原料(トリメチルガリウムTMG)の気体をフローチャネル7の内部へ吹き出す。 A susceptor 6 for supporting a substrate holder 2 that holds the substrate 1 is provided at the center of the furnace. The susceptor 6 has a resistance heater 3 inside. A plurality of reflectors 4 for reflecting the heater heat upward are provided below the heater 3. A thermocouple 5 protrudes above the heater 3 and is provided close to the back surface of the substrate holder 2. The entire susceptor 6 can move in the vertical direction. A horizontal flow channel 7 guides the source gas to the substrate 1. A gas nozzle 8 for supplying a raw material gas is provided on the upstream side of the flow channel 7. This blows out the gas of ammonia gas NH 3 and organic metal raw material (trimethylgallium TMG) into the flow channel 7.

図1はサファイヤ基板の上にGaN系の発光ダイオード(LED)を作るためのMOCVD装置である。1000℃とか1100℃の温度で用いられる。最高でも1300℃程度にしか上がらない。これをAlN薄膜のエピタキシャル成長に転用するには、原料ガスをトリメチルガリウム(TMG)からトリメチルアルミニウム(TMA)に変えれば良いと思われよう。そうすれば、TMAとアンモニアの反応でAlNができ、それがサファイヤ基板の上に堆積する筈である。そのようにして1000℃程度でAlN膜を成長させようとしている者もいる。   FIG. 1 shows an MOCVD apparatus for producing a GaN-based light emitting diode (LED) on a sapphire substrate. Used at a temperature of 1000 ° C or 1100 ° C. The maximum rises only to about 1300 ° C. In order to divert this to epitaxial growth of an AlN thin film, the source gas may be changed from trimethylgallium (TMG) to trimethylaluminum (TMA). Then, the reaction between TMA and ammonia will produce AlN, which should be deposited on the sapphire substrate. Some have attempted to grow an AlN film at about 1000 ° C. in that way.

しかし実際にはそうでなく、単に原料ガスをTMGからTMAに変えても良いAlN薄膜が得られない。基板との格子整合の問題などもあろうが一つは温度が低すぎるということであろう。1000℃とか1100℃というのはAlNにとっては温度が低すぎると本発明者は考える。AlNの場合は1800℃の高温が必要であると考える。しかし1800℃を作り得るような窒化物半導体用MOCVD装置は未だない。しかし1800℃の窒化物半導体用のMOCVD装置をなんとかして作りたいものである。   However, in reality, this is not the case, and an AlN thin film that simply changes the source gas from TMG to TMA cannot be obtained. One may be the problem of lattice matching with the substrate, but one is that the temperature is too low. The present inventors consider that the temperature of 1000 ° C. or 1100 ° C. is too low for AlN. In the case of AlN, a high temperature of 1800 ° C. is considered necessary. However, there is still no MOCVD apparatus for nitride semiconductor capable of producing 1800 ° C. However, I would like to make a MOCVD apparatus for nitride semiconductor at 1800 ° C. somehow.

図1のMOCVD装置はフローチャネル7が石英管で作られていた。ところが石英管は1200℃で軟化し始めるので1800℃の高温にはとても耐えない。それだけでも図1の装置は1800℃のAlN用には使えない。もう一つはヒータである。ヒータは誘導加熱、抵抗加熱、光加熱の3手法がある。誘導加熱というのは導電体のサセプタに基板を置きチャンバ外周のコイルに高周波電力を流し高周波電界によって離隔したサセプタに渦電流を発生させ、それによってサセプタを加熱するものである。誘導加熱では損失が大きすぎて電源容量が大きくなりすぎてしまう。光加熱というのはランプの光を石英柱の中に導いて基板の上から照射するものである。基板の上からと下から2本の石英柱を用いてやっとそれだけの熱量を基板に向けて輸送することができる。しかし基板に近接して設けられる石英柱がガス流を遮るので、原料ガスを基板に充分均一に供給することができない。   In the MOCVD apparatus of FIG. 1, the flow channel 7 is made of a quartz tube. However, the quartz tube begins to soften at 1200 ° C., so it cannot withstand the high temperature of 1800 ° C. As such, the apparatus of FIG. 1 cannot be used for 1800 ° C. AlN. The other is a heater. There are three types of heaters: induction heating, resistance heating, and light heating. Induction heating is a method in which a substrate is placed on a susceptor made of a conductive material, high-frequency power is applied to a coil on the outer periphery of the chamber, and eddy currents are generated in the susceptor separated by a high-frequency electric field, thereby heating the susceptor. In induction heating, the loss is too great and the power supply capacity becomes too large. In light heating, light from a lamp is guided into a quartz pillar and irradiated from above the substrate. Using the two quartz pillars from the top and bottom of the substrate, it is possible to finally transport that much heat toward the substrate. However, since the quartz column provided close to the substrate blocks the gas flow, the source gas cannot be supplied to the substrate sufficiently uniformly.

それで抵抗加熱ということになる。抵抗加熱というのは耐熱抵抗体に電流を流して発生したジュール熱を放射して対象物を加熱するものである。図1のものも抵抗加熱ヒータを用いているが、それよりももっと高温に耐え、かつ、ガス雰囲気にも耐えるような抵抗加熱ヒータが要求される。ヒータ素材をPG、PGコートカーボン、Mo、導電性BN、TaCコートカーボン等にすると高熱かつガス雰囲気に耐えるヒータとなる。窒化物半導体の成長の場合は水素雰囲気(還元性)やアンモニア雰囲気となるからPGコートカーボンをヒータにしたりすることができる。その他にPG、Mo、導電性BN、TaCコートカーボンもヒータとして使うことができる。そのようなヒータと反射率の高い反射板を組み合わせ熱の逃げを防ぐと1900℃程度の高温まで加熱できる。高出力の抵抗加熱ヒータが得られたとしてもまだ問題がある。原料ガス供給パイプはできるだけ基板の近くまでガスを輸送して基板の直近で加熱するのが良い、とされる。パイプと基板の距離が離れると、途中でガスが加熱されて分解してしまい基板まで届かない内に消費されてしまう。それを避けるにはできるだけ基板の近くまでパイプで原料ガスを運ぶ必要がある。しかし原料ガス供給管はステンレス管であるから基板近くの強烈な放射熱に耐えないかもしれない、という懸念がある。   That's why resistance heating. Resistance heating is to heat an object by radiating Joule heat generated by passing a current through a heat resistant resistor. The resistance heater shown in FIG. 1 is also used, but a resistance heater that can withstand higher temperatures and withstand a gas atmosphere is required. If the heater material is PG, PG coated carbon, Mo, conductive BN, TaC coated carbon, or the like, the heater can withstand a high temperature and gas atmosphere. In the case of growing a nitride semiconductor, since it becomes a hydrogen atmosphere (reducing property) or an ammonia atmosphere, PG coated carbon can be used as a heater. In addition, PG, Mo, conductive BN, and TaC coated carbon can also be used as a heater. When such a heater and a highly reflective reflector are combined to prevent escape of heat, the heater can be heated to a high temperature of about 1900 ° C. Even if a high-power resistance heater is obtained, there are still problems. The source gas supply pipe should be heated as close as possible to the substrate by transporting the gas as close to the substrate as possible. When the distance between the pipe and the substrate is increased, the gas is heated and decomposed on the way, and is consumed before reaching the substrate. In order to avoid this, it is necessary to carry the raw material gas as close to the substrate as possible. However, since the source gas supply pipe is a stainless steel pipe, there is a concern that it may not withstand intense radiant heat near the substrate.

初めにサセプタを下げて基板と基板ホルダーを置きサセプタをフローチャネルの高さまで上げてガスを流し加熱してエピタキシャル成長させ、そのあとまたサセプタを下げて基板と基板ホルダーを交換するというようにする。だからサセプタは昇降可能でなければならない。エピタキシャル成長においては、基板の上を原料ガスが横向きに通過して行くので、フローチャネルに対する基板の高さが薄膜の形成に大きく影響する。図1の装置ではサセプタ6の昇降をステップモータで制御している。上下方向の精度は±1mm程度である。ところが、たった±1mmの高さの違いであってもガス流れが変動して成長条件が異なる。そのため、できた薄膜の性質が大きく異なる。基板の高さをもっと精度良く厳密に規定しなければ薄膜の性質を安定させることができない。   First, the susceptor is lowered, the substrate and the substrate holder are placed, the susceptor is raised to the height of the flow channel, gas is flowed and heated for epitaxial growth, and then the susceptor is lowered and the substrate and the substrate holder are exchanged. So the susceptor must be able to move up and down. In epitaxial growth, since the source gas passes laterally over the substrate, the height of the substrate relative to the flow channel greatly affects the formation of the thin film. In the apparatus shown in FIG. 1, the elevation of the susceptor 6 is controlled by a step motor. The accuracy in the vertical direction is about ± 1 mm. However, even with a height difference of only ± 1 mm, the gas flow varies and the growth conditions differ. Therefore, the properties of the resulting thin film are greatly different. The properties of the thin film cannot be stabilized unless the height of the substrate is precisely defined.

本発明のMOCVD装置は、フローチャネルをカーボン(C)製、モリブデン(Mo)製またはパイロリティックグラファイト(pyrolytic graphite;PG)製にしフローチャネルの上部に窓を設け、底なし基板ホルダーに基板を入れ、基板ホルダーを窓の枠で支持し、基板を一定高さに保持し、基板を下向きにフローチャネルに露呈させ、抵抗加熱ヒータをフローチャネルの上方に昇降可能に設け上から下へ向かう熱流によって基板を加熱し、水冷したガスノズルから原料ガスをフローチャネルへ吹き出させ、ガス流が加熱された基板の下面に接触し、基板下面に薄膜成長するようにしている。そのような工夫によって1800℃の高温に加熱した状態で基板の上に薄膜成長させることができる。   In the MOCVD apparatus of the present invention, the flow channel is made of carbon (C), molybdenum (Mo) or pyrolytic graphite (PG), a window is provided on the top of the flow channel, and the substrate is placed in a bottomless substrate holder. A substrate holder is supported by a window frame, the substrate is held at a certain height, the substrate is exposed downward to the flow channel, and a resistance heater is provided above and below the flow channel. The raw material gas is blown out to the flow channel from a gas nozzle that is heated and cooled with water, and the gas flow contacts the lower surface of the heated substrate so that a thin film is grown on the lower surface of the substrate. By such a device, a thin film can be grown on the substrate while being heated to a high temperature of 1800 ° C.

フローチャネルが石英管であると、1300℃以上の高温にすると軟化が始まる。1800℃の高温には耐えない。本発明はフローチャネルをカーボン、Mo、PG又はPGコートカーボン、TaCコートカーボン、導電性BN製とするので1800℃の高熱に耐えることができる。1800℃を越えて、1850℃、1900℃程度までは耐える。カーボンは酸素がない雰囲気では高温に強くて1800℃〜1900℃に耐える。原料ガスは水素をキャリヤガスとしたアンモニア、有機金属であるから酸素は存在せずカーボンは安定である。Moは耐熱性に優れた金属であるから、そのような温度に耐える。パイロリティックグラファイトは特に耐熱性に優れたカーボンである。これも1800℃〜1900℃には充分に耐える。フローチャネルの全体が1800℃以上になるのではないが、ヒータに接近した部分は1800℃以上の高温になる。だからフローチャネルを耐熱性に優れた材料にすることは有用である。これによって1300℃〜1900℃程度の高温用の窒化物半導体用のMOCVD装置を初めて提供できる。   When the flow channel is a quartz tube, softening starts when the temperature is raised to 1300 ° C. or higher. It cannot withstand high temperatures of 1800 ° C. In the present invention, since the flow channel is made of carbon, Mo, PG or PG coated carbon, TaC coated carbon, or conductive BN, it can withstand high heat of 1800 ° C. It withstands over 1800 ° C and up to about 1850 ° C and 1900 ° C. Carbon is resistant to high temperatures and withstands 1800 ° C. to 1900 ° C. in an oxygen-free atmosphere. Since the source gas is ammonia or organic metal using hydrogen as a carrier gas, oxygen does not exist and carbon is stable. Since Mo is a metal with excellent heat resistance, it withstands such temperatures. Pyrolytic graphite is carbon that is particularly excellent in heat resistance. This also withstands 1800 ° C. to 1900 ° C. sufficiently. Although the entire flow channel does not reach 1800 ° C. or higher, the portion close to the heater becomes a high temperature of 1800 ° C. or higher. Therefore, it is useful to make the flow channel a material having excellent heat resistance. As a result, it is possible to provide for the first time an MOCVD apparatus for nitride semiconductors for high temperatures of about 1300 ° C. to 1900 ° C.

基板を昇降可能にするのではなく基板はフローチャネルの窓枠に下向きに(フェイスダウン)置くようにするから高さが正確に決まる。ガス流は横から吹き付けるので高さの差異がたとえ1mmであっても生成された薄膜の性質は大きくばらつくのであるが本発明の場合は基板高さに0.1mmの誤差も生じないので再現性に富む。これが本発明の最も工夫したところである。窓枠部材に下向きに基板を置くのは高さを一定にするためである。そのためフローチャネルの上側に基板が設けられる。従ってヒータもフローチャネルの上方に設けられる。上方からヒータが基板を加熱する。基板交換のために窓枠に置かれたトレーを取り外す必要があるからヒータを昇降可能にしヒータを引き上げてトレーを交換することになる。ヒータが昇降自在であるから下死点でのヒータの高さに多少ばらつきが現れるとしても、その影響は少ない。   Rather than allowing the substrate to move up and down, the substrate is placed face down on the flow channel window frame so that the height is accurately determined. Since the gas flow is blown from the side, even if the height difference is 1 mm, the properties of the produced thin film vary greatly. However, in the case of the present invention, the error of 0.1 mm does not occur in the substrate height, so the reproducibility. Rich. This is the most devised aspect of the present invention. The reason why the substrate is placed downward on the window frame member is to make the height constant. Therefore, a substrate is provided on the upper side of the flow channel. Therefore, a heater is also provided above the flow channel. A heater heats the substrate from above. Since it is necessary to remove the tray placed on the window frame in order to replace the substrate, the heater can be moved up and down, and the heater is lifted to replace the tray. Since the heater can be moved up and down, even if some variation appears in the height of the heater at the bottom dead center, the influence is small.

フローチャネル空間では上が高温、下が低温になるので対流が起こりにくい。そのため原料ガスがノズルから出て対流によって乱されることなく真っ直ぐ進んで基板にいたる。基板取り付けがフェイスダウンであるから基板面にゴミやパーティクルが付着しないという利点もある。   In the flow channel space, the upper part is hot and the lower part is low, so convection hardly occurs. Therefore, the source gas exits from the nozzle and goes straight to the substrate without being disturbed by convection. Since the substrate is mounted face down, there is also an advantage that dust and particles do not adhere to the substrate surface.

さらにヒータ加熱で基板近傍を従来のMOCVD法よりも高温にするから原料ガスの供給管をステンレスとすると熱に耐えない。ステンレス以外の材料で原料ガス供給パイプを製作するのは難しい。そこで本発明は水冷ジャケットを原料ガス供給管に設けている。水冷することによってステンレスパイプであっても高熱によく耐えるようになった。原料ガスがパイプから出てフローチャネルに入ると加熱され熱分解するが本発明はパイプを水冷し原料ガスも冷却してあるのでパイプを出てから基板にいたるまでの短い距離では熱分解せずに基板までたどりつくことができる。そのために原料ガスの利用効率も高い。   Furthermore, since the vicinity of the substrate is heated to a temperature higher than that of the conventional MOCVD method by heating the heater, if the material gas supply pipe is made of stainless steel, it cannot withstand the heat. It is difficult to manufacture the raw material gas supply pipe with materials other than stainless steel. Therefore, in the present invention, a water cooling jacket is provided in the source gas supply pipe. By water cooling, stainless steel pipes can withstand high heat. When the source gas exits the pipe and enters the flow channel, it is heated and thermally decomposed.In the present invention, however, the pipe is cooled with water and the source gas is also cooled, so it does not thermally decompose in a short distance from the pipe to the substrate. You can get to the board. Therefore, the utilization efficiency of the raw material gas is high.

そのような工夫によって基板を1800℃〜1900℃付近まで加熱することができるようになった。それによって良好なAlN薄膜をサファイヤ、SiCなどの基板の上に成長させることができるようになる。   By such a device, the substrate can be heated to 1800 ° C. to about 1900 ° C. As a result, a good AlN thin film can be grown on a substrate such as sapphire or SiC.

横型フローチャネルをPG被覆カーボンとする。カーボンは石英と違って1200℃を越えても熱に耐え1800℃近傍で繰り返し使用に耐える。基板を載せた基板ホルダーをフローチャネル上部の窓に載せた構造とするのでガスノズルと基板との位置関係が一定し再現性に富んだ薄膜形成が可能となる。基板をフェイスダウンとし上方から加熱するので熱対流の困難がない。ガスノズルを冷却するからSUSのノズルで充分熱に耐える。ガスを冷却するのでノズルを出て基板まで行く間に熱分解しない。   The horizontal flow channel is PG-coated carbon. Unlike quartz, carbon withstands heat even at temperatures exceeding 1200 ° C., and withstands repeated use near 1800 ° C. Since the substrate holder on which the substrate is placed is placed on the window above the flow channel, the positional relationship between the gas nozzle and the substrate is constant, and a thin film with high reproducibility can be formed. Since the substrate is face down and heated from above, there is no difficulty in thermal convection. Since the gas nozzle is cooled, the SUS nozzle can sufficiently withstand heat. Since the gas is cooled, thermal decomposition does not occur while leaving the nozzle to the substrate.

図2によって本発明の実施例にかかる高温用のCVD装置を説明する。これは炉の内部の構造であって、これらの横型フローチャネルやノズルを囲むチャンバがある。チャンバがあるので雰囲気、圧力の制御が可能になる。チャンバは図示を略している。断面が角型で水平に設けられるフローチャネル27はカーボン、モリブデン、PGなどで作られる。カーボンだけだとこすれて黒粉が発生することもあるのでカーボンにPG薄膜を被覆してある。フローチャネル27の途中で上壁に基板とほぼ同じ大きさの窓34が設けられる。窓の大きさは基板サイズに適合するように決められる。ここでは基板サイズが15mmφなので、窓も16mm〜20mmφ程度のものである。1インチ基板、2インチ基板の場合はそれに応じて窓も26mm〜30mmあるいは、52mm〜55mmというような寸法にする。   A high-temperature CVD apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is the internal structure of the furnace, with a chamber surrounding these lateral flow channels and nozzles. Since there is a chamber, the atmosphere and pressure can be controlled. The chamber is not shown. The flow channel 27 having a square cross section and provided horizontally is made of carbon, molybdenum, PG, or the like. Since black powder may be generated by rubbing with only carbon, carbon is coated with a PG thin film. In the middle of the flow channel 27, a window 34 having the same size as the substrate is provided on the upper wall. The size of the window is determined to match the substrate size. Here, since the substrate size is 15 mmφ, the window is also about 16 mm to 20 mmφ. In the case of a 1 inch substrate or a 2 inch substrate, the window is also sized to be 26 mm to 30 mm or 52 mm to 55 mm accordingly.

下地基板20はフローチャネル27に開けられた窓34にはまりこむ底なしで枠だけの基板ホルダー22に置かれ、基板ホルダー22はフローチャネル27の窓34の枠に懸架するように置かれる。基板ホルダー22の下片が基板を支持し基板ホルダー22の上片がフローチャネル27の枠34に接触している。だから基板のフローチャネル27に対する相対高さは常に一定している。横向きの流れであるから、薄膜形成の状態は基板の流れに対する高さに敏感なのであるが、基板高さが一定になりガスフローに対して同じ関係を保持できる。そのように基板の高さを厳格に決めることができるのが本発明の第1番の特徴である。   The base substrate 20 is placed on a frame-only substrate holder 22 without a bottom that fits into a window 34 opened in the flow channel 27, and the substrate holder 22 is placed so as to be suspended from the frame of the window 34 of the flow channel 27. The lower piece of the substrate holder 22 supports the substrate, and the upper piece of the substrate holder 22 is in contact with the frame 34 of the flow channel 27. Therefore, the relative height of the substrate with respect to the flow channel 27 is always constant. Since it is a lateral flow, the state of thin film formation is sensitive to the height of the substrate flow, but the substrate height is constant and the same relationship can be maintained with respect to the gas flow. The first feature of the present invention is that the height of the substrate can be determined strictly.

窓34に対向するフローチャネル27の底部には断熱材33が設けられる。これはフローチャネル27の中にあって基板からの放射熱を反射してフローチャネル27内部空間の高熱状態を維持するためのものである。たとえばPG等を用いる。   A heat insulating material 33 is provided at the bottom of the flow channel 27 facing the window 34. This is in the flow channel 27 for reflecting the radiant heat from the substrate and maintaining a high heat state in the internal space of the flow channel 27. For example, PG or the like is used.

基板はフェイスダウンに設けられるからヒータ23は基板20のすぐ上に設けられ下向きに熱を発生して基板20を加熱するようになっている。ヒータ23は抵抗加熱ヒータである。PG、PGコートカーボン、Mo、導電性BN又はTaCコートカーボン等の抵抗体を用いる。ヒータ23の上にはMo製の反射板24が複数枚設けられる。分子線セルなどでは反射板はタンタル(Ta)の薄板が使われる。しかしTaは水素雰囲気(還元性雰囲気)に弱くて劣化する。そこでMoの薄板を用いる。Moは硬くて加工しにくいが薄板にすることはできる。   Since the substrate is provided face down, the heater 23 is provided immediately above the substrate 20 and generates heat downward to heat the substrate 20. The heater 23 is a resistance heater. A resistor such as PG, PG coated carbon, Mo, conductive BN, or TaC coated carbon is used. A plurality of Mo reflectors 24 are provided on the heater 23. In a molecular beam cell or the like, a thin tantalum (Ta) plate is used as a reflector. However, Ta is weak in a hydrogen atmosphere (reducing atmosphere) and deteriorates. Therefore, a thin Mo plate is used. Mo is hard and difficult to process, but can be made thin.

反射板24を貫いてヒータ23の温度を測定する熱電対25が設けられる。熱電対25はタングステンレニウム(W−Re)線でMoシースの熱電対を用いる。ヒータ温度は熱電対で測定され、ヒータパワーは電流を加減することによって増減されるから、任意の温度に設定することができる。ヒータケース26はMo製である。ヒータケース26、反射板24、ヒータ23よりなるヒータ機構の全体は上下方向に移動可能である。基板とヒータ間の距離Sは可変である。基板の交換のときはヒータ機構の全体を引き上げておく。基板加熱薄膜生成のときはヒータ23は、基板20に対し5mm程度の距離(S=5mm)まで下げる。   A thermocouple 25 that measures the temperature of the heater 23 through the reflector 24 is provided. The thermocouple 25 is a tungsten rhenium (W-Re) wire and uses a Mo sheath thermocouple. The heater temperature is measured by a thermocouple, and the heater power is increased or decreased by increasing or decreasing the current, so that it can be set to an arbitrary temperature. The heater case 26 is made of Mo. The entire heater mechanism including the heater case 26, the reflector 24, and the heater 23 is movable in the vertical direction. The distance S between the substrate and the heater is variable. When replacing the substrate, the entire heater mechanism is pulled up. When the substrate heating thin film is generated, the heater 23 is lowered to a distance of about 5 mm (S = 5 mm) with respect to the substrate 20.

ヒータ23が上から下に向かってフローチャネル27を加熱するから、フローチャネル空間では上が高温、下が低温になる。本発明において、従来例とは温度分布が反対になる。この場合、温度分布は安定し対流が起こらない。対流というのは、下が高温、上が低温だから起こるのである。本発明は、対流が起こらない構造になっておりガス流が安定した層流に近くなる。だから薄膜形成の条件も安定する。それだけでなく対流がないのでノズルから出た原料ガスが直進して基板まで届き易くなる。   Since the heater 23 heats the flow channel 27 from the top to the bottom, the upper temperature is high and the lower temperature is low in the flow channel space. In the present invention, the temperature distribution is opposite to that of the conventional example. In this case, the temperature distribution is stable and no convection occurs. Convection occurs because the bottom is hot and the top is cold. In the present invention, convection does not occur, and the gas flow is close to a stable laminar flow. Therefore, the conditions for thin film formation are also stable. In addition, since there is no convection, the source gas emitted from the nozzle goes straight and easily reaches the substrate.

フローチャネル27の左端の開口部にはガスノズル28、29が設けられる。有機金属CVD法で窒化物半導体薄膜を成長させるのだから、原料ガスはアンモニアと、水素で希釈した有機金属たとえばトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)などとなる。有機金属は低温でも分解しやすく、だいたい400℃〜450℃で熱分解する。アンモニアはより高温まで熱分解しない。900℃付近まで上がって初めて分解する。   Gas nozzles 28 and 29 are provided in the opening at the left end of the flow channel 27. Since the nitride semiconductor thin film is grown by the organic metal CVD method, the source gas is ammonia and an organic metal diluted with hydrogen, such as trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), or the like. Organometallics are easily decomposed even at low temperatures, and are generally thermally decomposed at 400 ° C to 450 ° C. Ammonia does not pyrolyze to higher temperatures. It decomposes only after it reaches 900 ° C.

だからアンモニア吹き出し用ノズルは高温側に、有機金属ガス吹き出し用ノズルは低温側に設置するのが普通である。図1の従来例ではヒータが下側にあるので、フローチャネルの下側が高温に、上側がより低温になる。その場合アンモニア吹き出しノズルが下側、TMG(トリメチルガリウム)吹き出しノズルが上側に設けられる。   Therefore, it is normal to install the ammonia blowing nozzle on the high temperature side and the organometallic gas blowing nozzle on the low temperature side. In the conventional example of FIG. 1, since the heater is on the lower side, the lower side of the flow channel is hot and the upper side is colder. In this case, the ammonia blowing nozzle is provided on the lower side, and the TMG (trimethylgallium) blowing nozzle is provided on the upper side.

ところが本発明の場合はヒータ23がフローチャネル27より上にありフローチャネル27内部空間では、上が高温に下が低温になる。それで上側のガスノズル28がアンモニアを吹き出し、下側のガスノズル29が有機金属(TMA)を吹き出す。そのようなガスノズルは金属、たとえばステンレスであるが、フローチャネルの温度が高いのでステンレスノズルが劣化するおそれがある。それにステンレス配管の内部で既にガスが加熱されてしまい。ノズル先端35を出てすぐに熱分解するという可能性もある。原料ガスが基板まで届かないで反応してしまうと、それは無駄になる。   However, in the case of the present invention, the heater 23 is above the flow channel 27, and in the internal space of the flow channel 27, the upper is high and the lower is low. Therefore, the upper gas nozzle 28 blows out ammonia, and the lower gas nozzle 29 blows out organic metal (TMA). Such a gas nozzle is a metal such as stainless steel, but the stainless steel nozzle may be deteriorated due to the high temperature of the flow channel. In addition, the gas is already heated inside the stainless steel pipe. There is also the possibility of thermal decomposition immediately after leaving the nozzle tip 35. If the source gas reacts without reaching the substrate, it is wasted.

それで本発明ではガスノズル28、29には水冷ジャケット32を設ける。水冷するのでノズルのステンレスが熱損傷を受けないようになる。それに原料ガスが配管の内部では充分な低温に保たれる。原料ガスはノズル28、29から出るとフローチャネル27の上流側36、基板直下37、下流側38を通り出口39まで水平方向にフローチャネルを通り抜ける。原料ガスは冷却されているので、ノズル28、29の先端35、35より吹き出してから加熱のために時間がかかり基板までガスのまま到達することができるようになる。それによって基板面上で初めて原料ガスが出会って反応する。原料ガスを有効利用できる。ノズル28、29の先端35と、基板20の端までの距離Wは50mm程度の短いものであるが、その間で原料ガスが分解せず基板20まで到達するようになった。   Therefore, in the present invention, the gas nozzles 28 and 29 are provided with a water cooling jacket 32. Because it is water cooled, the stainless steel of the nozzle is not damaged by heat. In addition, the source gas is kept at a sufficiently low temperature inside the pipe. When the source gas exits from the nozzles 28 and 29, it passes through the flow channel in the horizontal direction through the upstream side 36 of the flow channel 27, directly below the substrate 37, and downstream side 38 to the outlet 39. Since the source gas is cooled, it takes time for heating after it blows out from the tips 35 and 35 of the nozzles 28 and 29, so that the gas can reach the substrate as it is. As a result, the source gas meets and reacts for the first time on the substrate surface. The raw material gas can be used effectively. Although the distance W between the tip 35 of the nozzles 28 and 29 and the end of the substrate 20 is as short as about 50 mm, the source gas reaches the substrate 20 without being decomposed between them.

水冷ジャケットを設けるについて懸念があった。基板を1800℃〜1900℃まで加熱するのだからヒータのパワーが強烈である。ヒータパワーが強いからフローチャネルは強く加熱されノズルの付近もかなりの高温になる。だから水冷ジャケットの水がすぐに沸騰して冷却できないのではないか?と危惧されたのである。しかし実際にやってみると水が直ちに沸騰するということはなくて水冷ジャケットの出口での水温も100℃よりずっと低くてノズル28、29の先端付近まで充分な低温に維持できることがわかった。それは実際に作って調べてみないと分からない事である。水冷ジャケットでもノズルが熱に耐えないとすると、ノズルと基板の距離Wを100mm〜200mmに離さないといけないがそうすると原料ガスが基板に至るまでに殆どが分解して浪費されてしまう。そうではなくて本発明は、水冷することによってノズルを基板に近付け(50mm程度まで)るので原料ガスの消耗を効率的に防止できる。   There was concern about installing a water-cooled jacket. Since the substrate is heated to 1800 ° C. to 1900 ° C., the power of the heater is intense. Since the heater power is strong, the flow channel is heated strongly, and the vicinity of the nozzle becomes very hot. So isn't the water in the water cooling jacket boiling immediately and can't be cooled? I was worried. However, in practice, it was found that the water does not boil immediately and the water temperature at the outlet of the water cooling jacket is much lower than 100 ° C. and can be maintained at a sufficiently low temperature near the tips of the nozzles 28 and 29. That is something that you can't understand without actually making it and examining it. If the nozzle does not withstand heat even in the water-cooled jacket, the distance W between the nozzle and the substrate must be set to 100 mm to 200 mm. However, most of the source gas is decomposed and wasted before reaching the substrate. Instead, according to the present invention, the nozzle is brought close to the substrate by cooling with water (up to about 50 mm), so that consumption of the source gas can be efficiently prevented.

石英管をフローチャネルとし、上向きに基板をサセプタに保持し、基板を抵抗加熱ヒータで加熱し、サセプタを昇降自在にして基板交換し横方向から原料ガスをフローチャネルへ吹き込み薄膜形成するようにした従来例にかかる横型のMOCVD装置の概略構成図。The quartz tube is used as the flow channel, the substrate is held upward by the susceptor, the substrate is heated by a resistance heater, the susceptor is raised and lowered, the substrate is replaced, and a raw material gas is blown into the flow channel from the lateral direction to form a thin film. The schematic block diagram of the horizontal type MOCVD apparatus concerning a prior art example.

フローチャネルがカーボン、Mo、PGのいずれかであり、フローチャネルに設けた窓において下向きに基板を保持し基板を上から加熱する抵抗加熱ヒータを昇降可能にし、水冷した原料ガスノズルから原料ガスを吹き込みフローチャネル内で熱分解せず基板まで到達させ基板で薄膜形成するようにした本発明の横型の高温用CVD装置の概略図。The flow channel is one of carbon, Mo, and PG, and the resistance heater that holds the substrate downward and heats the substrate from above can be moved up and down in the window provided in the flow channel, and the source gas is blown from the water-cooled source gas nozzle 1 is a schematic view of a horizontal high-temperature CVD apparatus of the present invention in which a thin film is formed on a substrate by reaching a substrate without being thermally decomposed in a flow channel.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 基板ホルダー
3 抵抗加熱ヒータ
4 反射板
5 熱電対
6 サセプタ
7 フローチャネル
8 ガスノズル
20 下地基板
22 基板ホルダー
23 抵抗加熱ヒータ
24 反射板
25 熱電対
26 ヒータケース
27 フローチャネル
28 原料ガスノズル
29 原料ガスノズル
32 水冷ジャケット
33 断熱材
34 窓
35 ノズル先端
36 フローチャネル上流側
37 フローチャネル基板直下
38 フローチャネル下流側
39 フローチャネル出口
S ヒータと基板の間の距離
W ノズルの先端から基板端までの距離
1 Substrate
2 Board holder
3 Resistance heater
4 reflectors
5 Thermocouple
6 Susceptor
7 Flow channel
8 Gas nozzle
20 Base substrate
22 Substrate holder
23 Resistance heater
24 reflector
25 Thermocouple
26 Heater case
27 Flow channel
28 Raw material gas nozzle
29 Raw material gas nozzle
32 Water-cooled jacket
33 Insulation
34 windows
35 Nozzle tip
36 Flow channel upstream
37 Directly under the flow channel substrate
38 Flow channel downstream
39 Flow channel exit
S Distance between heater and substrate
W Distance from nozzle tip to substrate edge

Claims (1)

カーボン(C)、モリブデン(Mo)、パイロリティックグラファイト(PG)、PGコートカーボン、TaCコートカーボン、或いは導電性BNによって作製され基板を保持するための窓を上壁に有する横型のフローチャネルと、窓に下向きに保持された基板を1300℃〜1900℃の温度まで加熱する窓の上方に昇降可能に設けられたPG、PGコートカーボン、TaCコートカーボン或いは導電性BN製ヒータと、フローチャネルの側方開口部にあってフローチャネルへ原料ガスを導入するための原料ガスノズルと、原料ガスノズルを冷却する水冷ジャケットとを含み、フローチャネルの窓に下向きに保持されヒータで加熱された基板に、フローチャネルを通過してきた原料ガスを接触させて基板の上に薄膜を成長させるようにしたことを特徴とする高温用CVD装置。
A horizontal flow channel made of carbon (C), molybdenum (Mo), pyrolytic graphite (PG), PG coated carbon, TaC coated carbon, or conductive BN and having a window on the upper wall for holding the substrate; A heater made of PG, PG coated carbon, TaC coated carbon or conductive BN, which can be moved up and down above the window for heating the substrate held downward in the window to a temperature of 1300 ° C. to 1900 ° C., and the flow channel side A flow channel on a substrate heated downward by a flow channel window and heated by a heater, including a raw material gas nozzle for introducing a raw material gas into the flow channel at a side opening and a water cooling jacket for cooling the raw material gas nozzle. A thin film is grown on the substrate by contacting the source gas that has passed through High temperature CVD and wherein the door.
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