JP2007096280A5 - 窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体膜の気相成長装置に関し、さらに詳細には、基板を載置するサセプタ、基板を加熱するヒータ、原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を備えた窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置に関する。
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、ヒータと基板の間に、ヒータと空間を隔てて、支持部材により保持または補強された石英板等の光透過性セラミックス板を配置し、ヒータから腐食性ガスを遮蔽することにより、高温で腐食性の高いガスからヒータを保護できることを見出し、本発明の気相成長装置に到達した。すなわち本発明は、基板を載置するためのサセプタ、該基板を加熱するヒータ、該基板に原料ガスを供給する原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有し、該ヒータと基板の載置位置の間に、ヒータと空間を隔てて、外周部材、中心部材、及びこれらを結合する部材からなる支持部材により、下から保持または補強された光透過性セラミックス板を備えてなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置である。
本発明は、基板を載置するサセプタ、基板を加熱するヒータ、基板に原料ガスを供給する原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を備えた窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置に適用される。また、原料を含むガスを、水平方向から供給する方式、上方向から供給する方式、下方向から供給する方式のいずれの気相成長装置にも適用される。尚、高温の基板に原料ガスを吹き付けるＭＯＣＶＤ法においては、基板の成膜面を下に向け、基板の下方向から原料を供給する方法が熱対流の影響が少ない点で望ましい。また、本発明の気相成長装置においては、特に気相成長温度として１０００℃以上の高温を必要とする窒化ガリウム系化合物半導体膜の成膜、さらに複数枚の基板への窒化ガリウム系化合物半導体膜の成膜の場合に、ヒータの断線等を抑制でき、長期的に安定した気相成長ができる点で、本発明の効果を充分に発揮させることができる。
本発明の気相成長装置は、図１、図２に示すように、基板１を載置するためのサセプタ２、該基板１を加熱するヒータ３、該基板１に原料ガスを供給する原料ガス導入部４、及び反応ガス排出部５を有し、該ヒータ３と該基板１の載置位置の間に、図３、図４に示すような下からの支持部材６Ｃにより保持または補強された光透過性セラミックス板７を備えてなる気相成長装置である。さらに、図１に示すように、サセプタ２を公転させるためのギア部８（サセプタの外縁及びこれに接する対面に互いに噛み合う歯車が設けられる部分）、断熱板９、ガス案内部材１０等を適宜設けることができる。サセプタ２は、図１、図２に示すように、基板１を複数枚載置する構成とすることができる。また、図２に示すように、図１のギア部８に替えてサセプタ回転軸１１を設けることもできる。
本発明において、光透過性セラミックス板７は、基板１、サセプタ２、あるいはヒータ３と空間を隔てて設けられる。また、光透過性セラミックス板７は、原料ガス導入部４から導入される原料ガス、あるいはこれらが反応して生成した反応ガスが、ヒータ３の表面に到達しないような構成となるように設けられる。従来の気相成長装置においては、光透過性セラミックス板７がないので、例えば、公転するサセプタ２の外周部の間隙、自転する基板１の外周部の間隙等から、原料ガス、反応ガスが侵入しヒータ３に到達する。尚、本発明における外周端支持部材６Ａは、主に光透過性セラミックス板７を側面から支える役目を成し、中心部支持部材６Ｂは、主に光透過性セラミックス板７を中心部で支える役目を成し、下からの支持部材６Ｃは、主に光透過性セラミックス板７を補強するとともに下から支える役目を成す。
本発明の気相成長装置において、光透過性セラミックス板７は、通常は図５の構成図に示すように環状または円板状であるが、これに限定されることなく、外周または内周の形状が、四角形、五角形、六角形、八角形、多角形等であってもよい。光透過性セラミックス板７は、環状の場合は、通常は外周端１２の一部または全部が、例えば図３に示すように外周端支持部材６Ａと下からの支持部材６Ｃにより保持され、中心孔の周端１３の一部または全部が、例えば図４（２）に示すように中心部支持部材６Ｂと下からの支持部材６Ｃにより保持される。また、孔がない円板状の場合は、通常は外周端１２の一部または全部が、例えば図３に示すように外周端支持部材６Ａと下からの支持部材６Ｃにより保持され、中心部の一部または全部が例えば図４（１）に示すように中心部支持部材６Ｂと下からの支持部材６Ｃにより保持される。尚、光透過性セラミックス板７を支持部材により保持する方法については特に制限されることはないが、例えば図３、図４に示すように、ボルトを用いて保持させる方法、外周端支持部材６Ａ、中心部支持部材６Ｂにより保持させる方法を行なうことができる。
本発明の気相成長装置において、支持部材６Ｃの構成としては、例えば図６及び図７（１）（２）に示すように、外周部材１４、中心部材１５、及びこれらを結合する部材１６あるいは幾何学模様状の結合部材１７からなる構成を例示することができる。外周部材１４、中心部材１５は、主に光透過性セラミックス板７を補強するとともに下から支える役目を成し、結合部材１６あるいは幾何学模様状の結合部材１７は、主に光透過性セラミックス板７の塑性変形による垂れ下がりを抑制する役目を成す。尚、結合部材１６あるいは幾何学模様状部材１７の形態としては、例えば、網目状、放射状、螺旋状、縦縞模様状、横縞模様状、これらを組合せた形状のものを例示することができる。この支持部材６Ｃの外周の形状は、通常は光透過性セラミックス板と合ったものであり円形であるが、これに限定されることなく、四角形、五角形、六角形、八角形、多角形等であってもよい。このような支持部材６Ｃは、外径の大きさも通常は光透過性セラミックス板７と同じ、あるいは近似するものである。尚、支持部材６Ｃも、光透過性セラミックス板７と同様に熱変形が緩和できるように分割製作することが望ましい。具体的な分割方法としても、光透過性セラミックス板７と同様である。
［比較例１］
ステンレス製の反応容器の内部に、環状サセプタ（直径２８０ｍｍ、厚さ１１ｍｍ）、ヒータ、原料ガスの導入部、ガス案内部材、反応ガス排出部を設け、さらに、支持部材６Ａ、６Ｂ（窒化ホウ素）により外周端及び中心部が保持された中心部に孔がない円板状の光透過性セラミックス板（石英板）を設けて、図１に示すような気相成長装置を製作した。尚、光透過性セラミックス板は、直径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍであった。また、耐熱性の支持部材６Ｃは用いなかった。また、光透過性セラミックス板とヒータの間隙は７ｍｍであり、光透過性セラミックス板とサセプタの間隙も７ｍｍであった。この気相成長装置を用いたほかは実施例１と同様にして加熱実験を行なった。その結果、光透過性セラミックス板の垂れ下がりは最大値で１〜２ｍｍ程度であった。
ステンレス製の反応容器の内部に、環状サセプタ（直径２８０ｍｍ、厚さ１１ｍｍ）、ヒータ、原料ガスの導入部、ガス案内部材、反応ガス排出部を設け、さらに、支持部材６Ａ、６Ｂ（窒化ホウ素）により外周端及び中心部が保持された中心部に孔がない円板状の光透過性セラミックス板（石英板）を設けて、図１に示すような気相成長装置を製作した。尚、光透過性セラミックス板は、直径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍであった。また、耐熱性の支持部材６Ｃは用いなかった。また、光透過性セラミックス板とヒータの間隙は７ｍｍであり、光透過性セラミックス板とサセプタの間隙も７ｍｍであった。この気相成長装置を用いたほかは実施例１と同様にして加熱実験を行なった。その結果、光透過性セラミックス板の垂れ下がりは最大値で１〜２ｍｍ程度であった。
［比較例２〜４］
比較例１の気相成長装置の製作において、光透過性セラミックス板を、各々サファイア、アルミナ、アルミニウムオキシナイトライドに替えたほかは比較例１と同様にして気相成長装置を製作した。これらの気相成長装置を用いたほかは実施例１と同様にして各々加熱実験を行なった。その結果、いずれも光透過性セラミックス板の垂れ下がりは最大値で１〜２ｍｍ程度であった。
比較例１の気相成長装置の製作において、光透過性セラミックス板を、各々サファイア、アルミナ、アルミニウムオキシナイトライドに替えたほかは比較例１と同様にして気相成長装置を製作した。これらの気相成長装置を用いたほかは実施例１と同様にして各々加熱実験を行なった。その結果、いずれも光透過性セラミックス板の垂れ下がりは最大値で１〜２ｍｍ程度であった。
［比較例５］
実施例１の気相成長装置の製作において、光透過性セラミックス板を設けなかったほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。 この気相成長装置を用いて、以下の耐腐食性実験を行なった。すなわちヒータ近傍に設置した熱電対の温度が１２００℃になるように加熱した後、反応室内にアンモニアガス（２０ｖｏｌ％）と水素ガス（８０ｖｏｌ％）の混合ガスを２０時間流通した。温度を室温まで低下させた後、ヒータの表面状態を測定した。その結果、窒化ホウ素膜により被覆されたヒータの表面には、腐食性ガス（アンモニアガス）により微小な孔（直径１ｍｍ程度）が多数発生していることが確認できた。
実施例１の気相成長装置の製作において、光透過性セラミックス板を設けなかったほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。 この気相成長装置を用いて、以下の耐腐食性実験を行なった。すなわちヒータ近傍に設置した熱電対の温度が１２００℃になるように加熱した後、反応室内にアンモニアガス（２０ｖｏｌ％）と水素ガス（８０ｖｏｌ％）の混合ガスを２０時間流通した。温度を室温まで低下させた後、ヒータの表面状態を測定した。その結果、窒化ホウ素膜により被覆されたヒータの表面には、腐食性ガス（アンモニアガス）により微小な孔（直径１ｍｍ程度）が多数発生していることが確認できた。
実施例１〜１５及び比較例１〜４の加熱実験をまとめた結果を各々表１及び表２に、実施例１と比較例５の耐腐食性実験の結果を表３に示した。以上のように、支持部材６Ｃを用いた本発明の気相成長装置は、塑性変形による垂れ下がりを抑制できることがわかった。
１ 基板
２ サセプタ
３ ヒータ
４ 原料ガス導入部
５ 反応ガス排出部
６Ａ 外周端支持部材
６Ｂ 中心部支持部材
６Ｃ 下からの支持部材
７ 光透過性セラミックス板
８ ギア部
９ 断熱板
１０ ガス案内部材
１１ サセプタ回転軸
１２ 外周端
１３ 中心孔の周端
１４ 外周部材
１５ 中心部材
１６ 結合部材
１７ 幾何学模様状の結合部材
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Claims (6)
- 基板を載置するためのサセプタ、該基板を加熱するヒータ、該基板に原料ガスを供給する原料ガス導入部、及び反応ガス排出部を有し、該ヒータと基板の載置位置の間に、ヒータと空間を隔てて、外周部材、中心部材、及びこれらを結合する部材からなる支持部材により、下から保持または補強された光透過性セラミックス板を備えてなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長装置。
- 光透過性セラミックス板が、分割されたものである請求項１に記載の気相成長装置。
- 光透過性セラミックス板の構成材料が、サファイア、アルミナ、またはアルミニウムオキシナイトライドである請求項２に記載の気相成長装置。
- 支持部材の構成材料が、金属、合金、金属酸化物、セラミックス、及び炭素材料から選ばれる１種以上である請求項１に記載の気相成長装置。
- サセプタが複数枚の基板を載置する構成である請求項１に記載の気相成長装置。
- 光透過性セラミックス板とヒータの空間に、不活性ガスを導入する手段が設けられた請求項１に記載の気相成長装置。
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