JP2007273660A

JP2007273660A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2007273660A
Application number: JP2006096343A
Authority: JP
Inventors: Eitoku Ubukata; 映徳生方; Yoshiaki Inaishi; 美明稲石; Nakao Akutsu; 仲男阿久津; Takayuki Arai; 孝幸新井; Kunimasa Uematsu; 邦全植松
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】基板温度の調整を容易に行うことができ、特に、複数枚の基板に同時に気相成長を行う際の各基板毎の温度差を解消して同一特性の薄膜を得ることができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】ヒーター１７により加熱されるサセプタ１３の上面に、サセプタの材質とは異なる材質からなる調整板１８を介して基板１１を支持し、サセプタ及び調整板を介して基板を加熱するとともに、基板上面に気相原料を供給して薄膜を気相成長させる。気相成長時の基板温度を、調整板の厚さを調節することによって調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、サセプタで支持した基板をサセプタを介して加熱しながら気相原料を供給することにより、前記基板の上面に薄膜を気相成長させる気相成長装置に関する。

発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイスや電子デバイスに用いられる化合物半導体等の薄膜を製造するための気相成長装置として、石英ガラス等で形成されたフローチャンネル内に設けられるサセプタの上面に基板を支持し、膜質を平均化する目的で前記サセプタを回転させながら、サセプタの裏面に配置したヒーターによってサセプタを加熱し、該サセプタを介して前記基板を所定温度に加熱するとともに、基板上に気相原料を供給して薄膜を気相成長させる気相成長装置が知られている。

前記基板は、サセプタ上に直接設置されることもあるが、基板搬送等の理由により、石英ガラス等で形成した基板支持トレイを介してサセプタ上に設置することもある。サセプタは、ヒーターからの熱を効果的に基板に伝達するため、カーボンや金属炭化物で形成され、基板支持トレイは、高温に耐えるとともに気相原料による腐食にも耐えるため、石英ガラスや炭化ケイ素、窒化ホウ素等をコーティングしたカーボン等で形成されている。

このような気相成長装置では、成膜中のサセプタの回転によって基板が移動することを防止するため、サセプタあるいは基板支持トレイの上面に、基板の外径よりも僅かに大きな内径を有し、基板の厚さに対応した深さの円形の基板支持凹部を形成することが行われている。また、基板の外径に対応した基板保持孔を有するとともに、基板の厚さに対応した厚さを有する基板保持部材をサセプタ上に設け、基板保持孔内に基板を設置することによって基板の移動を防止するようにしたものも知られている。さらに、回転するサセプタあるいはサセプタ上に設けられる基板ホルダに、サセプタに対して回転するトレイを支持し、該トレイに支持した基板をサセプタの回転中心に対して自公転させることにより、薄膜の均一化を図った気相成長装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−３１０４３８号公報

一般的な気相成長装置において、ヒーターによってサセプタ及び基板を高温に加熱した場合、熱膨張による変形によってヒーターやサセプタ、基板等の部品の位置関係が設計値とは微妙に異なってくることがあり、例えば、ヒーターとサセプタとの距離が大きくなったり、小さくなったりすると、基板温度も設計温度とは異なってしまうことになる。このような現象が発生すると、同一の特性を有する薄膜の製造が困難になってしまう。

また、各部品の製作公差や取付公差のため、ヒーターとサセプタとの距離が公差分だけ装置間でばらつきを生じることになる。この場合は、同一機種の気相成長装置を使用しても、同一特性の薄膜を製造することができなくなるため、各装置毎に基板温度等の調整をそれぞれ行う必要があった。

したがって、各部品の製作公差や取付公差、成膜時の加熱による各部品の熱変形によって基板温度がばらつくことがあり、基板支持トレイを使用した場合には、このトレイの製作公差や熱変形も影響することになるため、基板温度の調整は更に複雑になる。

そこで本発明は、基板温度の調整を容易に行うことができ、特に、複数枚の基板に同時に気相成長を行う際の各基板毎の温度差を解消して同一特性の薄膜を得ることができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、加熱手段により加熱されるサセプタの上面に基板を支持し、該サセプタを介して前記基板を加熱するとともに、該基板の上面に気相原料を供給して薄膜を気相成長させる気相成長装置において、前記基板と前記サセプタとの間に、サセプタの材質とは異なる材質からなる調整板を介在させたことを特徴とし、特に、前記調整板の厚さを調節することによって前記基板の温度を調節することを特徴としている。

本発明の気相成長装置における前記基板の支持形態は、前記サセプタの上面に複数の基板保持凹部が形成され、該複数の基板保持凹部内に前記調整板を介して前記基板がそれぞれ支持されるもの、前記サセプタの上面に複数の基板保持孔を有する基板保持部材が載置され、前記複数の基板保持孔内に前記調整板を介して前記基板が保持された状態で前記サセプタ上にそれぞれ支持されるもの、前記サセプタの上面に複数の基板保持凹部を有する基板支持トレイが載置され、前記複数の基板保持凹部内に前記調整板を介して前記基板がそれぞれ支持され、該基板は、調整板及び基板保持凹部底板を介して前記サセプタ上にそれぞれ支持されるもののいずれであってもよい。

本発明の気相成長装置によれば、調整板の厚さを適正に選択することにより、サセプタ厚さの製作公差や基板厚さの製作公差等による基板温度の調整を行うことができ、さらに、同一機種間における製作公差や取付公差により生じる基板温度のばらつきも調整することができる。特に、複数の基板を処理する場合、サセプタ上の基板位置によって基板温度にばらつきが発生する場合でも、各基板位置に応じた厚さの調整板を使用することによって基板温度のばらつきを解消することができる。さらに、基板支持トレイを使用した場合でも、基板支持トレイの製作公差による基板上面高さのばらつきを解消でき、気相成長時の基板温度のばらつきも解消できる。

図１は本発明の一形態例を示す気相成長装置の要部断面正面図、図２は基板支持トレイに基板をセットした状態を示す平面図である。

この気相成長装置は、複数の基板１１を支持した基板支持トレイ１２をサセプタ１３上に載置した状態でフローチャンネル１４の底板（プレート）１４ａに形成した開口部１５に挿入し、前記サセプタ１３を回転させながら該サセプタ１３の裏面側外周を覆うリフレクター１６内に配置したヒーター１７により前記サセプタ１３を加熱し、該サセプタ１２から前記基板支持トレイ１２を介して基板１１を所定温度に加熱するとともに、フローチャンネル１４内に所定の気相原料を供給して各基板１１の上面に薄膜を気相成長させるように形成されている。

前記基板支持トレイ１２は、基板１１の厚さより厚く形成されたトレイ本体１２ａの上面に、基板１１を保持するための基板保持凹部１２ｂを周方向に等間隔で６箇所に設けたものであって、基板保持凹部１２ｂの直径は基板１１の直径よりも大きく、深さは基板１１の厚さより僅かに深く形成されている。このような基板支持トレイ１２は、一般に石英ガラスで形成される。

そして、基板１１は、各基板保持凹部１２ｂ内に調整板１８を介して保持される。この調整板１８は、石英ガラス、サファイア、金属炭化物、炭素あるいはボロンの焼結体、窒化物等、サセプタ１３の材質とは異なる材質で形成されており、調整板１８とサセプタ１３とを異なる材質で形成することにより、サセプタ１３から基板１１に伝わる熱量の調整を容易に行えるようにしている。

調整板１８の直径は、該調整板１８を介して基板１１を加熱することから、基板１１の直径以上であることが望ましい。但し、本形態例に示すように、基板１１を基板保持凹部１２ｂで保持する場合には、基板保持凹部１２ｂ内に挿入可能な直径にしておく必要がある。

調整板１８の厚さは、気相成長装置における各種条件、製造する薄膜に規定される各種条件等に応じて設定されるものであるが、薄すぎると製造や取り扱いが困難になり、厚すぎると熱伝達や熱変形の問題が発生し易くなるため、通常は、１００〜８００μｍ程度に設定することが好ましい。使用する調整板１８の厚さの選定は、トレイ本体１２ａや基板保持凹部１２ｂ等の各部の寸法を実測して行うことも可能であるが、同一特性の薄膜を安定して製造することを主目的とするため、成膜実験の結果に基づいて調整板１８の厚さを決定することが望ましい。

例えば、このような気相成長装置で青色ＬＥＤの材料となるＩｎＧａＮの薄膜を基板１１に気相成長させる場合、ＩｎＧａＮのような混晶半導体は、結晶成長する際の組成安定条件が極めて狭いため、僅かな成長温度の変化によって膜中の混晶組成が変化してしまう。このＩｎＧａＮの場合には、基板温度が１℃変化するとＬＥＤ波長が１ｎｍ以上変化することが知られている。これは、結晶中に取り込まれた平均Ｉｎ組成が変化するためであって、厳密には、結晶成長中に温度変化が生じると、膜中の余剰Ｉｎが結晶転移や結晶欠陥等の不連続な領域に移動し、Ｉｎ組成の高い領域と低い領域とが微小な空間に形成されるためである。均一波長のＬＥＤを製造するためには、Ｉｎ組成の変化が基板面内で生じることなく、均一組成であることが望ましい。

ここで、気相原料として、アンモニア、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ドーピングガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を使用し、キャリアガスに窒素及び水素を使用してＩｎＧａＮとＧａＮの薄膜を交互に成長させた実験結果に基づいて説明する。

サセプタ１３は熱伝導性に優れた焼結カーボン製とし、調整板１８はサファイア製と石英ガラス製とを用意し、それぞれに厚さが異なる複数種類を用意した。なお、各実験において、気相原料の供給条件やサセプタの回転条件、その他、調整板１８以外の各種条件は同一とした。

基板１１の下に挿入するサファイア製調整板１８の厚さを４３０〜５７０μｍの範囲で変化させた状態で、同時に６枚の基板１１に薄膜をそれぞれ成長させ、各薄膜から製作したＬＥＤの特性を測定した。使用した調整板１８の厚さ［μｍ］と、測定したＬＥＤ波長［ｎｍ］及びＸＲＤ解析によるＩｎＧａＮピークシフト量［ｓｅｃ］との関係を図３に示す。

製作したＬＥＤの発光層は、ＩｎＧａＮとＧａＮの薄膜を交互に成長した「量子井戸構造」と呼ばれる構造である。調整板１８の厚さがガスの流れを阻害しているとすれば、発光層の膜厚が変化するはずである。しかし、量子井戸構造の周期性を測定した結果では、１周期の膜厚は１１．３〜１１．５ｎｍの範囲でばらつきがほとんどなく、調整板１８の厚さとは無関係であることがわかった。この結果から、調整板１８の厚さを変化させても、本検討の範囲程度であれば厚さによるガス流れへの影響は小さく、無視できることがわかる。

一方、ＸＲＤ解析において、ＩｎＧａＮ層の０次ピーク位置を調べることにより、膜中の平均的Ｉｎ組成を見積もることができる。すなわち、ＧａＮ層のピーク位置から離れてピークシフト量が大きいほど、Ｉｎ組成が高いことを示す。図３に示す結果から、ＩｎＧａＮピークは調整板１８の厚さに比例しており、基板温度に影響されてＩｎの取り込まれ量が変化した結果であることを示している。

さらに、図３に示す結果から、ＬＥＤ波長は、調整板１８の厚に比例して長波長側にシフトしており、これはＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が変化した結果に関係している。このときのＬＥＤ波長の変化量、すなわち、調整板１８の厚さがＬＥＤ波長に与える影響は、調整板１０μｍ当たり０．７ｎｍと推定される。

したがって、基板１１の下に挿入する調整板１８を最適な厚さに設定することにより、基板１１の温度差に起因するＩｎの取り込まれ量を調整して所望のＬＥＤ波長が得られることになる。例えば、前述のように、複数枚（６枚）の基板１１に対して同時に気相成長を行ったときに、製作したＬＥＤの波長が所望の波長、例えば４７０μｍよりも長波長側にシフトしている基板１１を保持した基板保持凹部１２ｂには、それよりも薄い調整板１８を使用することにより、該基板保持凹部１２ｂで保持した基板１１の薄膜から製作したＬＥＤの波長を４７０μｍに近付けることが可能であり、ＬＥＤの波長が短波長側にシフトしている基板１１を保持した基板保持凹部１２ｂには、それよりも厚い調整板１８を使用すれば、ＬＥＤ波長を４７０μｍに近付けることが可能となる。

また、同一機種であっても、異なる気相成長装置では、各部品の製作公差や取付公差により、同一条件で基板１１を加熱しても基板温度に差が生じることがある。このような場合に、前述のような調整板１８を適宜使用することにより、同一条件で同一特性の薄膜を気相成長することができる。

なお、サセプタ１３による基板１１の支持形態は、前述のような基板支持トレイ１２を使用するものに限らず、基板１１をサセプタ１２の上面に直接載置するものであってもよく、サセプタ１２の回転による基板１１の移動を防止するため、基板保持孔を有する基板保持部材を使用したものや、サセプタ１２の上面に直接基板保持凹部が形成を形成したものにも適用できる。また、処理する基板の数も任意であり、気相成長させる薄膜の種類、気相原料の種類も特に限定されるものではない。

本発明の一形態例を示す気相成長装置の要部断面正面図である。基板支持トレイに基板をセットした状態を示す平面図である。調整板の厚さと、ＬＥＤ波長及びＸＲＤ解析によるＩｎＧａＮピークシフト量との関係を示す図である。

符号の説明

１１…基板、１２…基板支持トレイ、１２ａ…トレイ本体、１２ｂ…基板保持凹部、１３…サセプタ、１４…フローチャンネル、１４ａ…プレート、１５…開口部、１６…リフレクター、１７…ヒーター、１８…調整板

Claims

加熱手段により加熱されるサセプタの上面に基板を支持し、該サセプタを介して前記基板を加熱するとともに、該基板の上面に気相原料を供給して薄膜を気相成長させる気相成長装置において、前記基板と前記サセプタとの間に、サセプタの材質とは異なる材質からなる調整板を介在させたことを特徴とする気相成長装置。
前記サセプタの上面に複数の基板保持凹部が形成され、該複数の基板保持凹部内に前記調整板を介して前記基板がそれぞれ支持されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記サセプタの上面に複数の基板保持孔を有する基板保持部材が載置され、前記複数の基板保持孔内に前記調整板を介して前記基板が保持された状態で前記サセプタ上にそれぞれ支持されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記サセプタの上面に複数の基板保持凹部を有する基板支持トレイが載置され、前記複数の基板保持凹部内に前記調整板を介して前記基板がそれぞれ支持され、該基板は、調整板及び基板保持凹部底板を介して前記サセプタ上にそれぞれ支持されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記調整板の厚さを調節することによって前記基板の温度を調節することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の気相成長装置。