JP2006093557A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体の発光素子を歩留まりよく製造できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】原料ガス供給口１７から原料ガス排気口１８に向かって原料ガスを基板１３と平行に流すフローチャネル１２と、このフローチャネルの開口部１６に面するように基板１３を戴置する基板ホルダー１４と、基板ホルダー１４の下部に設けられ基板を加熱するヒータ１５とを有する気相成長装置であって、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間からの原料ガスの漏れを少なくする手段が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、特に窒化物半導体素子を歩留まりよく製造する気相製造装置に関する。

ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶に代表される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶は、バンドギャップが直接遷移型であり、半導体素子レーザへの利用が期待されている。特に、ＩｎＧａＮの混晶は、赤色から紫外光で発光させることが可能なため、短波長の材料として注目されている。すでに、同結晶を用いた紫外から緑色にいたる波長の発光ダイオード素子ならびに青紫レーザダイオード素子が実用化されている。これらの素子は、一般的には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法のより、ＣＶＤ装置を用いて作製する。具体的には、基板上にＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮＰ系、ＩｎＧａＮＡｓ系、ＩｎＧａＡｌＮ系等の窒化物半導体膜を成長させる。有機金属（ＭＯ）を原料として使用して、これらの半導体膜を成長させるＣＶＤ装置をＭＯＣＶＤ装置という。

図８は、従来のＭＯＣＶＤ装置を模式的に説明する断面図である（例えば、特許文献１参照）。従来のＭＯＣＶＤ装置は、反応室３１内に、原料ガスを基板上に効率よく導くためのフローチャネル３２と、基板３３を保持する基板ホルダー３４と、基板ホルダーを加熱する加熱ヒータ３５とが設けられている。フローチャネル３２には開口部３６が設けられ、基板３３と基板ホルダー３４とがフローチャネル３２内部を流れるガスと接触する。原料ガスは、ガス供給口３７から供給され、フローチャネル３２内を流れて、基板３３上に供給され、基板上３３で窒化物半導体膜の成長に寄与する。また、基板３３は、基板ホルダー３４とともに、回転軸３９の回転により回転する。半導体膜の成長に寄与しない原料ガスは、ガス排気口３８ガス排気口から排出される。また、反応室３１には、基板３３と基板ホルダー３４を自動搬出入するための図示しない自動搬出入装置が設けられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１９５９０号公報（特許請求の範囲） 特開２００３−１７５４４号公報（特許請求の範囲）

しかし、従来のＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶からなる窒化物系半導体レーザを作製する場合には、成長させた薄膜の結晶性および層厚が基板面内で、均一でないという問題がある。また、基板ごとのばらつきも生じている。このため、基板上作製される窒化物系半導体層には、結晶歪みが発生し、クラックが無数に入ることが確認された。

これらのクラックを含めた結晶欠陥は非発光結合中心として働き、欠陥部分が電流のパスとして働き、洩れ電流の原因となる。このため、歩留まりが悪いという問題がある。特に、ＬＤ素子では、この欠陥により、閾値電流密度が増加し、素子寿命が短くなるという問題がある。このため、クラックを含めた結晶欠陥を低減することが重要である。

本発明者らは、クラックを含めた結晶欠陥を発生する原因を検討した。すなわち、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの隙間からの流出ガスの量が一定でないため、基板上に供給される原料ガスの濃度分布及び供給量がばらつくことを見出した。窒化物系半導体を製造するＭＯＣＶＤ装置においては、原料ガスの濃度分布及び供給量がばらつきの影響が重大で、薄膜の結晶性および層厚における基板面内での均一性を確保できないことがわかった。本発明者らは、このような原料ガスの濃度分布及び供給量のばらつきは、以下の原因で生ずることを見出した。

図９は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの隙間からの流出ガス量のばらつきの原因を説明する図である。ＭＯＣＶＤ装置では、フローチャネルの開口部３６と基板ホルダー３４との間に隙間２１がある。これは、基板３３上において結晶成長を面内で均一に行わせることを目的に、基板ホルダー３４を矢印の方向に回転させるからである。または、反応室３１外部から、基板ホルダー３４ごと基板３３を搬入させるために、基板ホルダー３４を可動にしておく必要があることによる。

基板の搬入は以下のように行う。まず、加熱ヒータ３５は、フローチャネル３２から離れた位置にある。この状態で、基板３３を載せた基板ホルダー３４は、加熱ヒータ３５に搭載される（キャッチング）。加熱ヒータ３５と基板ホルダー３４とには、位置決めのために、両者の接する部分には噛み合いが設けられている。加熱ヒータ３５と基板ホルダー３４とを移動させて、基板３３がフローチャネル３２に対して所定の位置になるようにセットされる。

基板ホルダー３４は加熱時に膨張する、あるいは基板ホルダー３４と加熱ヒータ３５とのキャッチング精度の問題から、上記噛み合いにはある程度の余裕が必要である。また、フローチャネルの開口部３６と基板ホルダー３４との間に隙間２１にも、ある程度の余裕が必要である。自動搬送の際に、基板ホルダー３４が回転軸の中心に位置しないことを、キャッチングミスという。この場合に、基板ホルダーは、フローチャネルの開口部に対して間隔を変動させながら回転する。また、回転軸は、軸の加工精度の問題から、ある程度偏芯しているのが一般である。この軸の偏芯に起因して、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間に隙間の程度が変化する（軸の偏芯によるブレ２２）。これらの原因により、流出ガス２３の量が変化するために、原料ガスの偏流、すなわち基板３３上でのガス分布の偏りを生じる、または基板上でのガス分布が安定しない。

フローチャネルの開口部３６と基板ホルダー３４との間の隙間の程度が変化するという問題は、自動搬送を行う場合、フローチャネルや基板ホルダーを洗浄のために取り外した後の再セット時にも生ずる。また、フローチャンネルや基板ホルダーの加工精度の問題から、位置の再現が難しく、フローチャンネルや基板ホルダーの交換時にも、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間に隙間の程度が変化するという問題を生ずる。

上記問題は、装置ごとにその程度が異なり、装置ごとに成長条件の最適化を行う必要がある。特に窒化物系半導体では、高い窒素分圧により、結晶の再蒸発が起こる。このため、原料ガス濃度分布及び供給量がばらつきに伴い、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガス比が変化し、結晶の面内、層厚方向において品質にばらつきを生ずる。したがって、流出ガス量のばらつきは、結晶成長に与える影響は大きい。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、その目的は、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体の発光素子を歩留まりよく製造できる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、原料ガス供給口から原料ガス排気口に向かって原料ガスを基板と平行に流すフローチャネルと、このフローチャネルの開口部に面するように基板を戴置する基板ホルダーと、基板ホルダーの下部に設けられ基板を加熱するヒータとを有する気相成長装置であって、前記フローチャネルおよび基板ホルダーまたは基板ホルダーには、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間からの原料ガスの漏れを少なくする手段が設けられているものである。この構成によると、前記フローチャネルおよび基板ホルダーまたは基板ホルダーには、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間からの原料ガスの漏れを少なくする手段が設けられているので、流出ガス量のばらつきを低減することができる。

前記原料ガスの漏れを少なくする手段は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとが、基板ホルダーの中心から周方向にフローチャネルの内壁とほぼ平行になる流路が形成されるように嵌合する形状をしているものであればよい。

前記原料ガスの漏れを少なくする手段は、前記基板ホルダーの側面下側が周方向に張り出した形状をしているものであればよい。

前記気相成長装置は、基板ホルダーを回転させる回転機構を有するものであってもよい。本発明の構成によると、基板ホルダーを回転させても、流出ガス量のばらつきを低減できる。

前記基板ホルダーは、前記ヒータから着脱可能であり、前記ヒータは、可動であり、前記気相成長装置は、基板を戴置した基板ホルダーを前記ヒータに装着する装着機構と、前記基板ホルダーが装着された前記ヒータを、基板がフローチャネルの開口部に面するように移動する移動機構とを有することとしてもよい。本発明の構成によると、基板を自動搬送する場合においても、流出ガス量のばらつきを低減できる。

本発明の気相成長装置は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間からの原料ガスの漏れを少なくする手段が設けられているので、フローチャネル上流から流れてきた原料は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間の隙間からの流出量が激減する、あるいは洩れ出なくなる。この結果、流出ガス量のばらつきを軽減できるので、薄膜の結晶性および層厚における基板面内での均一性を確保することができる。

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。

本発明の特徴は、流出ガス量のばらつきを軽減するために、フローチャネルの開口部と基板ホルダーと間がオリフィス構造になるように、（１）フローチャネルと基板ホルダーとの形状、（２）基板ホルダーの形状を形成することにある。以下に、実施の形態１、２に分けて説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における気相成長装置は、従来の気相成長装置と同様に、反応室１１内に、原料ガスを基板上に効率よく導くためのフローチャネル１２と、基板１３を保持する基板ホルダー１４と、基板ホルダー１４を加熱する加熱ヒータ１５とが設けられている。フローチャネル１２には開口部１６が設けられ、基板１３と基板ホルダー１４とがフローチャネル１２内部を流れるガスと接触する。原料ガスは、ガス供給口１７から供給され、フローチャネル１２内を流れて、基板１３上に供給され、基板１３上で窒化物半導体膜の成長に寄与する。半導体膜の成長に寄与しない原料ガスは、ガス排気口１８から排出される。また、反応室１１には、基板１３と基板ホルダー１４を自動搬出入するための自動搬出入装置が設けられている。

本発明の気相成長装置は、基板ホルダー１４を回転させる回転機構を有するものであってもよい。図２は、本発明の気相成長装置における回転機構例を示す図である。図２に示すように、基板ホルダー８１は、加熱ヒータに８７に取り付けられた回転軸８２に接続する回転機構により回転する。この図の例では、基板ホルダー８１は、回転軸８２に取り付けられたギア８３をモータ８４等などの回転手段が回転することによって回転する。ギア８３の代わりに、ベルト等で回転を伝えても良い。加熱ヒータに８７に取り付けられた回転軸８２は、反応室８５外にまで突出しており、反応室８５外でギアに接続されている。

基板の搬入は以下のように行う。図２に示すように、回転軸８２は、図示しない駆動装置により上下に動かせることができる。基板の搬入前には、加熱ヒータ８７は、フローチャネル８８から離れた位置（例えば、下方向）に置かれている。この状態で、基板８９を載せた基板ホルダー８１は、反応室８５外から、フォーク８６に載せられて搬入される。フォーク８６は、基板ホルダー８１が加熱ヒータ８７上になる位置で停止する。次に、回転軸８２を上に動かして、基板ホルダー８１を加熱ヒータ８７に搭載し（キャッチング）た状態で、回転軸を一旦停止する。加熱ヒータ８７と基板ホルダー８１とには、位置決めのために、両者の接する部分には噛み合いが設けられている。回転軸８２を回転させて、加熱ヒータ８７と基板ホルダー８１とを噛み合わせる。次に、フォーク８６を反応室８５外に引き抜く。その後、回転軸８２を上下に移動させて、基板ホルダー８１がフローチャネル８８に対して所定の位置になるようにセットされる。基板の搬出は、上記動作を逆に行えばよい。

通常、原料ガスは、フローチャネルの開口部１６の断面積と、基板ホルダー１４の水平面の面積との差に比例した量だけ、隙間から流出する。また、特に基板１３の上流側の隙間からの流出が多いことが経験上知られている。さらに、上記したように、隙間の程度が変化することにより基板への原料ガスの供給量が変化する。

本実施の形態において、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの隙間からの流出ガスを低減させる方法を以下に説明する。図３は、図１のフローチャネルと基板ホルダーとを拡大した模式図である。図３に示すように、本実施の形態においては、原料ガスの漏れを少なくする手段は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとがオリフィス構造２５をとる形状となる。

すなわち、フローチャネルの開口部１６と基板ホルダー１４とが、基板ホルダー１４の中心から周方向にフローチャネルの内壁とほぼ平行になる流路が形成されるように嵌合する形状をしている。具体的には、基板ホルダー１４の側面下側が基板ホルダー１４の中心から周方向に向かって張り出し、基板ホルダーの側面上側が、フローチャネルの開口部の内周より小さくなるように、基板ホルダー１４が形成されている。フローチャネルの開口部１６の側面下側は、基板ホルダー１４の側面下側と嵌合するように切欠が設けられている。フローチャネルの開口部１６と基板ホルダー１４との間の隙間が、フローチャネルの開口部１６からフローチャネル１２の水平面に平行な方向に向かって屈曲する構造となる。

このような構造にすることで、フローチャネルの開口部１６と基板ホルダー１４との間の隙間２１の面積が同じであっても、原料ガスの流出に対するコンダクタンスが増大する。この結果、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間の隙間２１からの原料ガスの流出が、激減する、あるいは流出しなくなる。したがって、流出ガス量のばらつきを軽減できるので、原料ガスの流れは安定し、薄膜の結晶性および層厚における基板面内での均一性を確保することができる。

図４は、実施の形態１にかかるフローチャネルを説明する図であり、各々フローチャネルの上面、断面、側面、および底面から見た状態を表している。図４に示すように、実施の形態１にかかるフローチャネルの底面は、開口部を有する。また、サセプタとオリフィス構造を形成するように、フローチャネルの開口部１６の側面下側は、切欠が設けられている。フローチャネルの上側は、断面コ状に形成される。

図５は、従来のＭＯＣＶＤ装置と、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置とを用いて成長させたＧａＮ層の層厚分布を比較する図である。この図の例では、２インチの基板上にＧａＮ層を成長させた。この図から明らかなように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置では、基板内の層厚が分布が改善されていることがわかる。

また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置を用いて、基板上にＡｌＧａＮ層を形成すると、Ａｌ組成及び層厚が基板面内で均一であった。このように、面内での薄膜の組成および層厚の揺らぎに起因した結晶歪みを抑制できたので、クラックの発生は認められなかった。

本実施の形態においては、図３に示すように、基板ホルダー１４の下面は、加熱ヒータ１５の上面全体と側面の上部の一部を覆ういわゆる蓋状に形成されている。これは基板ホルダーを加熱ヒータ上にセットする場合に位地合わせを容易にするためである。位地合わせの機構としては、このような蓋状の構造に限られず、互いに接する面に、溝／突起の組み合わせを設けるような構造であってもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態においては、基板ホルダーの形状を、基板ホルダーの側面下側が周方向に張り出した形状とする。図６は、実施の形態２のフローチャネルと基板ホルダーとを拡大した模式図である。図６に示すように、本実施の形態においては、原料ガスの漏れを少なくする手段は、基板ホルダー１４の形状により、フローチャネルの開口部１６と基板ホルダー１４とがオリフィス構造２５をとる形状となる。前記基板ホルダー１４の側面下側が周方向に張り出した形状をしており、張り出した水平面とフローチャネル１２の下面との間でオリフィス構造２５をとっている。具体的には、フローチャネル１２の下面開口部１６と基板ホルダー１４との間の隙間が、フローチャネルの開口部１６の下端からフローチャネル１２の水平面に平行な方向に向かって屈曲する構造となる。なお、図示はしないが、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、回転機構および基板自動搬出入装置を有していてもよい。また、フローチャネルの形状は、基本的には実施の形態１と同様であるが、本実施の形態では、開口部の形状は、通常の気相成長装置におけるフローチャネルの開口部の形状と同様であればよい。

このような構造にすることで、実施の形態１と同様に、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間の隙間部２１の面積が同じであっても、原料ガスの流出に対するコンダクタンスが増大する。

図５は、従来のＭＯＣＶＤ装置と、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置とを用いて成長させたＧａＮ層の層厚分布を比較する図である。この図の例では、２インチの基板上にＧａＮ層を成長させた。この図から明らかなように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置では、基板内の層厚の分布が改善されていることがわかる。

このような構造にすることで、実施の形態１と同様に、流出ガス量のばらつきを軽減できるので、原料ガスの流れは安定し、薄膜の結晶性および層厚における基板面内での均一性を確保することができた。

図１は、実施の形態１における気相成長装置を模式的に説明する断面図である。 図２は、本発明の気相成長装置における回転機構例を示す図である。 図３は、図１のフローチャネルと基板ホルダーとを拡大した模式図である。 図４は、実施の形態１にかかるフローチャネルを説明する図である。 図５は、従来のＭＯＣＶＤ装置と、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置とを用いて成長させたＧａＮ層の層厚分布を比較する図である。 図６は、実施の形態２のフローチャネルと基板ホルダーとを拡大した模式図である。 図７は、従来のＭＯＣＶＤ装置と、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置とを用いて成長させたＧａＮ層の層厚分布を比較する図である。 図８は、従来のＭＯＣＶＤ装置を模式的に説明する断面図である。 図９は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの隙間からの流出ガス量のばらつきの原因を説明する図である。

符号の説明

１１、３１、８５ 反応室
１２、３２、８８ フローチャネル
１３、３３、８９ 基板
１４、３４、８１ 基板ホルダー
１５、３５、８７ 加熱ヒータ
１６、３６ 開口部
１７、３７ ガス供給口
１８、３８ ガス排気口
１９、３９、８２ 回転軸
２１ 隙間
２２ 軸の偏芯によるブレ
２３ 流出ガス
２５ オリフィス
８３ ギア
８４ モータ
８６ フォーク

Claims (5)

1. 原料ガス供給口から原料ガス排気口に向かって原料ガスを基板と平行に流すフローチャネルと、
   このフローチャネルの開口部に面するように基板を戴置する基板ホルダーと、
   基板ホルダーの下部に設けられ基板を加熱するヒータとを
   有する気相成長装置であって、
   前記フローチャネルおよび基板ホルダーまたは基板ホルダーには、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとの間からの原料ガスの漏れを少なくする手段が設けられていることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記原料ガスの漏れを少なくする手段は、フローチャネルの開口部と基板ホルダーとが、基板ホルダーの中心から周方向にフローチャネルの内壁とほぼ平行になる流路が形成されるように嵌合する形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記原料ガスの漏れを少なくする手段は、前記基板ホルダーの側面下側が周方向に張り出した形状をしていることを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
4. 前記気相成長装置は、
   基板ホルダーを回転させる回転機構を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の気相成長装置。
5. 前記基板ホルダーは、前記ヒータから着脱可能であり、
   前記ヒータは、可動であり、
   前記気相成長装置は、
   基板を戴置した基板ホルダーを前記ヒータに装着する装着機構と、
   前記基板ホルダーが装着された前記ヒータを、基板がフローチャネルの開口部に面するように移動する移動機構とを
   有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の気相成長装置。
   
   
   

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