JP2006080196A - 気相成長装置 - Google Patents

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裕樹 徳永
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仲男 阿久津
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【課題】上流フローライナーと中間フローライナーと下流フローライナーとを備え、上流フローライナーから半導体原料ガスを流し、中間フローライナー内に装填した基板に半導体薄膜を成長させ、下流フローライナーから排ガスを排出する気相成長装置において、中間フローライナー3内壁面に反応生成物が付着することを防止し、得られる半導体薄膜の膜厚、組成が均一となるようにする。
【解決手段】中間フローライナー3外壁面に冷却部11を設け、中間フローライナー3の下流側から上流側に向けて冷却ガスを流す。冷却部11は、冷却筒12と冷却ガス導入パイプ13とから構成され、冷却筒12が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプ13が接続されたものである。
【選択図】図1

Description

この発明は、気相成長装置に関し、詳しくは半導体原料ガスを基板面と平行に流して基板表面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置に関する。
この種の横型気相成長装置にあっては、一般にステンレス鋼などからなるチャンバ内に石英ガラスなどからなる筒状のフローライナーを水平に設置し、このフローライナー内に基板を載置し、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に対して平行な方向に流し、CVD反応によって基板表面に半導体薄膜を成長させるようになっている。
このような横型気相成長装置においては、成膜操作の際に基板やサセプタからの輻射熱によってフローライナーの特にその基板に対向する天井部分が高温に加熱される。このため、フローライナーの内壁面近傍においてもCVD反応が生じ、反応生成物がフローライナーの内壁面に付着する。
このフローライナー内壁面に付着した反応生成物は、次の成膜昇温時に膜となり、その膜応力が作用してフローライナーと付着した膜との間に大きな歪みが発生し、フローライナーを歪ませたり、変形させたりする原因となる。
さらに、フローライナーに付着した反応生成物は、基板表面や半導体薄膜を汚染する原因となる。このため、従来の気相成長装置では、数回の成膜操作に1回程度の割合でフローライナーを洗浄し、付着物を除去するようにしていた。この洗浄は当然気相成長装置の稼動効率を低下させ、生産性を悪化させることになる。
このような不都合を解決するものとして、特開2004−71883号公報には、フローライナーの外壁面に冷却ガスを吹き付けるか、あるいはフローライナーの内部に冷却ガスを直接導入してフローライナーの外壁面を冷却するようにした気相成長装置が開示されている。
この先行発明によれば、フローライナーの内壁面に反応生成物が付着することを低減できるものの、フローライナーの半導体原料ガスの流れにおける上流側部分(以下、上流部分と言うことがある。)と同じく半導体原料ガスの流れにおける下流側部分(以下、下流側部分と言うことがある。)とで温度分布が不均一となり、上流側部分と下流側部分との温度差が大きくなり、基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が不均一になると言う問題が残されていた。すなわち、フローライナーにはその上流側から低温の半導体原料ガスが流入するため、その上流側部分では低温となり、下流側部分ではこれに比べて高温となるためである。
特開2004−71883号公報
よって、本発明における課題は、気相成長装置のフローライナーの内壁面に反応生成物が付着することを低減し、かつ得られる半導体薄膜の膜厚、組成が均一となるようにすることにある。
かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、フローライナー内に基板を置き、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に平行に流し、基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、前記フローライナーの外壁面に沿って冷却ガスを半導体原料ガスの流れ方向と反対方向に向けて吹き付ける冷却手段を設けたことを特徴とする気相成長装置である。
請求項2にかかる発明は、冷却手段が、冷却筒と冷却ガス導入パイプとから構成され、冷却筒が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプが接続されたものであって、この冷却手段が、その冷却筒の壁部が存在しない部分がフローライナーの外壁面に面し、かつその冷却ガス導入パイプがフローライナーの半導体原料ガスの流れにおける下流側に位置し、フローライナーの長手方向に対して平行になるように配置されており、冷却筒を流れる冷却ガスがフローライナーの外壁面に直接接触して流れるようにしたことを特徴とする請求項1記載の気相成長装置である。
本発明によれば、フローライナーの内壁面に反応生成物が付着することが低減され、かつ基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が均一となる。したがって、気相成長装置の稼動効率が向上し、良質の半導体薄膜を得ることができる。
以下、本発明を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明の気相成長装置の第1の例を示すものである。
図中符号1はフローライナーを示す。このフローライナー1は、上流フローライナー2と、中間フローライナー3と、下流フローライナー4とからなるもので、上流フローライナー2と中間フローライナー3と下流フローライナー4とがこの順番に水平に並べられ、三分割された構造となっている。
これらフローライナー2、3、4の接続部分には隙間が存在しており、特に中間フローライナー3と下流フローライナー4との隙間は大きくなっており、その間隔は10mm程度となっている。これは、下流フローライナー4の入口側部分は拡がっているためであり、この部分からフローライナー1の外側を流れるパージガスをも吸引、排気するために拡げられているのである。
また、これらのフローライナー2、3,4は、いずれも断面形状が角筒状となっており、石英ガラスなどの耐熱性材料から構成されている。
さらに、中間フローライナー3の下壁には開口部が形成されており、この開口部をほぼ塞ぐようにしてウエハートレイ5が設けられている。このウエハートレイ5は、サセプタ6上に載せられており、サセプタ6の回転軸61によって回転可能となっている。
また、サセプタ6の下方には円板状のカーボンヒータ7が設けられ、このカーボンヒータ7によりウエハートレイ5上の基板を加熱するようになっている。また、サセプタ6の下方にはカバー8が取り付けられ、サセプタ6,カーボンヒータ7などを覆うようになっている。
また、これらフローライナー1、カバー8等は、図示しないステンレス鋼などからなるチャンバ内に収容され、外気から遮断された状態となっている。
また、中間フローライナー3の上壁面の外側には、冷却手段としての冷却部11が設けられている。この冷却部11は、ステンレス鋼、石英、炭化ケイ素、窒化ホウ素などの耐熱性が良好な材料からなる冷却筒12と冷却ガス導入パイプ13とから構成されている。また、冷却部11をなす材料が、赤外線を吸収しやすく加熱されやすい材料である場合には、冷却部11そのものに水冷ジャケットなどの冷却装置を取り付けて、冷却部11自体を冷却するようにすることが好ましい。
冷却筒12は、その断面形状が概略コ字状もしくは半円状であり、全体が角樋状もしくは丸樋状の外観を有しており、その一端は閉じられ、他端は開放されて開口部となっており、閉じられた一端には冷却ガス導入パイプ13が接続されて冷却部11となっている。この冷却ガス導入パイプ13には、図示しない冷却ガス供給源からの冷却ガスが流れるようになっており、冷却ガスがこのパイプ13を通って冷却筒12内部に吹き出て、他端の開口部に向けて流れるようになっている。
また、この冷却部11の冷却筒12は、その壁部が存在しない部分が中間フローライナー3の上壁面に面するように配置されて中間フローライナー3に取り付けられており、冷却筒12内を流れる冷却ガスが直接中間フローライナー3の外壁面に接しつつ流れるように構成されている。
さらに、冷却筒12は、その長手方向が中間フローライナー3の長手方向と平行になるように配置され、かつ冷却筒12の開口部が中間フローライナー3の上流側に位置するように配置されて、中間フローライナー3に取り付けられている。
このような気相成長装置においては、上流フローライナー2から中間フローライナー3に向けて半導体原料ガスを流し、中間フローライナー3のウエハトレー5上に置かれた基板表面にCVD反応により半導体薄膜を成長させ、反応後の排ガスをチャンバ内を流れるパージガスとともに下流フローライナー4から吸引して排出する。
この気相成長操作の際に、冷却部11の冷却筒12内に冷却ガス導入パイプ12を介して、アルゴン、窒素などの温度100℃以下、好ましくは10〜40℃の冷却ガスを冷却筒12の開口部に向けて流す。この冷却ガスは、中間フローライナー3の上壁面を冷却しながら、自らは加熱されつつ冷却筒12の開口部側に流れることになる。
このため、高温となる中間フローライナー3の下流側部分が低温の冷却ガスによって良好に冷却され、低温となる中間フローライナー3の上流側部分が加熱された冷却ガスに接するため、さほど冷却されなくなる。
したがって、中間フローライナー3内における長手方向の温度分布の不均一性が、冷却部11を設けないものに比較して改善され、中間フローライナー3の上流側と下流側とでの温度差が小さいものとなる。このため、基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が均一なものとなる。
また、同時に中間フローライナー3の外壁面が冷却ガスで冷却されるので、その内壁面近傍の温度が低下した状態となり、ここでのCVD反応が抑制されて、内壁面への反応生成物の付着が低減される。このため、中間フローライナー3の洗浄回数が削減されるとともに反応生成物の付着に起因する中間フローライナー3の歪み、変形を防止できる。
図2は、本発明の気相成長装置の第2の例を示すものである。
この例においては、冷却部11の冷却筒12の閉じられた一端が斜め上方に延びたロート状の形状とされ、このロート状部分の冷却筒12側が広口部とされ、これの反対側が細口部となっており、この細口部に冷却ガス導入パイプ13が接続されている。
この例においても、先の例と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上述の2つの例においては、冷却部11を中間フローライナー3の上壁面に設けるようにしたが、これに限らず中間フローライナー3の側壁面に設けるようにしてもよい。
以下、具体例を示す。
(具体例1)
図1に示した気相成長装置を用いて、サファイア基板上に窒化ガリウム(GaN)薄膜を成膜し、その際に冷却部11に冷却ガスを流してその効果を確認した。
中間フローライナー3には、石英ガラス製の幅140mm、長さ200mm、高さ10mmの内寸法を有するものを用いた。
冷却部11として、石英製の幅140mm、長さ200mm、高さ5mmの内寸法を有する冷却筒12を中間フローライナー3に溶接したものを用いた。冷却ガスとして温度20℃の窒素をステンレス鋼製の冷却ガス導入パイプ13から流量20リットル/分で中間フローライナー3の下流側から上流側に向けて流した。
成膜を以下の条件で繰り返して行い、中間フローライナー3の内壁面の汚れを観察した。
ヒーター温度:1150℃
半導体原料ガス流量条件
アンモニア :10SLM
水素 :10SLM
窒素 :20SLM
トリメチルガリウム:260μモル/分
成長時間:60分
その結果、冷却ガスを流さずに成膜したときは、数回の成長で中間フローライナー3の配壁面に反応生成物が付着したが、冷却ガスを流したときは、数回の成長後でも反応生成物は付着しなかった。
さらに、冷却ガスを中間フローライナー3の上流側から下流側に向けて流して成膜を行った場合には、数回の成長後、反応生成物の付着はなかったが、サファイア基板上のGaN膜の面内膜厚分布が8%(σ)であった。
これに対して、中間フローライナー3の下流側から上流側に向けて流した場合には、数回の成膜後、反応生成物の付着はなく、基板上のGaN膜の面内膜厚分布が2%(σ)に改善されたことが確認された。
さらに、上述のようにして成膜した窒化ガリウム薄膜上に以下の成膜条件によって窒化インジュウムガリウム(InGaN)薄膜を成長させた。
ヒーター温度:700℃
半導体原料ガス流量条件
アンモニア :10SLM
窒素 :30SLM
トリメチルガリウム :90μモル/分
トリメチルインジウム:45μモル/分
成長時間:60分
そして、冷却ガスを中間フローライナー3の上流側から下流側に向けて流して成膜を行った場合には、数回の成長後、反応生成物の付着はなかったが、基板上のInGaN膜中のIn組成分布は12%(σ)であった。
これに対して、中間フローライナー3の下流側から上流側に向けて流した場合には、数回の成膜後、反応生成物の付着はなく、基板上のInGaN膜中のIn組成分布が4%(σ)に改善されたことが確認された。
本発明の気相成長装置の例を示す概略構成図である。 本発明の気相成長装置の例を示す概略構成図である。
符号の説明
3・・・中間フローライナー、11・・・冷却部、12・・・冷却筒、13・・・冷却ガス導入パイプ。

Claims (2)

  1. フローライナー内に基板を置き、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に平行に流し、基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、
    前記フローライナーの外壁面に沿って冷却ガスを半導体原料ガスの流れ方向と反対方向に向けて吹き付ける冷却手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
  2. 冷却手段は、冷却筒と冷却ガス導入パイプとから構成され、冷却筒が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプが接続されたものであって、
    この冷却手段が、その冷却筒の壁部が存在しない部分がフローライナーの外壁面に面し、かつその冷却ガス導入パイプがフローライナーの半導体原料ガスの流れにおける下流側に位置し、フローライナーの長手方向に対して平行になるように配置されており、冷却筒を流れる冷却ガスがフローライナーの外壁面に直接接触して流れるようにしたことを特徴とする請求項1記載の気相成長装置。
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