JP2009054770A - エピタキシャル基板の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル層の破壊検査による評価が可能である、エピタキシャル基板の製造方法を提供する。
【解決手段】このエピタキシャル基板の製造方法は、製造装置のチャンバ内に、基板と、基板と異なる材質からなるモニタ基板とを配置する工程（Ｓ２）と、基板およびモニタ基板の表面にエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ３）と、エピタキシャル膜が形成されたモニタ基板を用いて、エピタキシャル膜の特性の検査を行なう工程（Ｓ５）とを備える。基板とモニタ基板との表面上にはエピタキシャル膜が同時に形成されるので、モニタ基板によって破壊検査を行なえば、破壊検査によるエピタキシャル膜の評価が可能となる。モニタ基板として安価な基板を用いることで、高価な基板が無駄になることがなく、歩留りが向上する。
【選択図】図３

Description

この発明は、エピタキシャル基板の製造方法および製造装置に関し、特に、化合物半導体基板上にエピタキシャル膜を形成してなるエピタキシャル基板の製造方法および製造装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて約３倍のバンドギャップ、約１０倍の高い絶縁破壊電界強度、さらに大きな飽和電子速度などの様々な優れた特性を有しているため、ＧａＮ基板を用いたデバイスの実用化が促進されている。ＧａＮ基板を用いたデバイスとしては、光デバイスと電子デバイスとに大別される。光デバイスでは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk、デジタル多用途ディスク）用青紫ＬＤ（Laser Diode、半導体レーザ）やＬＥＤ（Light Emitting Diode、発光ダイオード）などが開発されている。電子デバイスではＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰＮタイプのパワーデバイス（電力用半導体素子）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor、高電子移動度トランジスタ）などが開発されている。

ＧａＮ基板は、ＧａＡｓ基板上へＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy、ハイドライド気相成長法）によりＧａＮ単結晶を厚膜成長し、その後ＧａＮ厚膜をスライスすることによって製造される。このように複雑なプロセスを経て製造されるため、ＧａＮ基板は、従来基板として一般的に用いられてきたＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ基板などに比べ非常に高価である。

また、ワイドギャップ半導体基板として実用化が期待されている基板には、ＧａＮ以外にもＳｉＣ、ＡｌＮ基板がある。しかしＳｉＣ、ＡｌＮのいずれも、従来の基板（Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）に比較し非常に高価である。

高価な基板を用いたデバイスでは、基板の費用が全体コストに占める割合が高い。このようなコスト構成では、実際にデバイス作製を考えた場合には、エピタキシャル膜形成後の段階で品質管理のため良品、不良品の判断を行なうことが重要である。良品であればその後のプロセスへ進み、不良品であれば再研磨し再度エピタキシャル膜形成が行なわれることが望まれる。高価な基板を用いる場合、従来は、非破壊の検査であるＰＬ（Photo Luminescence、フォトルミネッセンス）やＸＲＤ（X-ray Diffraction、Ｘ線回折）を用いた、エピタキシャル膜の膜質特性の評価が行なわれてきた。

従来、半導体基板の品質管理に関する技術は、たとえば特許文献１〜３で提案されている。
特開平７−１２２６１０号公報 特開平１０−２３３３９１号公報 特開平１１−１８６２４９号公報

非破壊のＰＬ、ＸＲＤによるエピタキシャル工程の品質評価では、ＰＬやＸ線の信号取り出しの関係から、エピタキシャル膜の表面近くの一部の情報しか得られない。そのため、非破壊検査では、デバイス用エピタキシャル基板のエピタキシャル層全体の情報を得ることができず、十分な評価は不可能であった。

一方、従来の基板を用いたデバイス作成時におけるエピタキシャル工程の品質評価では、全基板について非破壊検査を実施し、モニタ基板により破壊検査を行なう方法が一般的に行なわれている。破壊検査では、エピタキシャル膜全体の検査が可能であり、エピタキシャル膜の膜質特性について多くの情報を得ることができる。しかし、破壊検査を行なう場合、検査に使用される基板の一部破壊は難しく、通常は基板全体のエッチングおよび破壊検査が行なわれる。そのため、破壊検査に使用される基板を、エピタキシャル工程以後の工程に用いることはできない。したがって、ＧａＮなどの高価な基板の場合、破壊検査に使用される基板は、出荷することができず無駄になっていた。このことが歩留りの低下、高コストにつながる要因となっていた。

それゆえに、この発明の主たる目的は、破壊検査によってエピタキシャル層の十分な評価が可能である、エピタキシャル基板の製造方法および製造装置を提供することである。また、この発明の他の目的は、製造コストの低減可能なエピタキシャル基板の製造方法および製造装置を提供することである。

この発明に係るエピタキシャル基板の製造方法は、製造装置のチャンバ内に、基板と、基板と異なる材質からなるモニタ基板とを配置する工程を備える。また、基板およびモニタ基板の表面にエピタキシャル膜を形成する工程を備える。また、エピタキシャル膜が形成されたモニタ基板を用いて、エピタキシャル膜の特性の検査を行なう工程を備える。

このようにすれば、基板とモニタ基板との表面上にはエピタキシャル膜が同時に形成される。基板として高価なワイドギャップ半導体基板を用いる場合、モニタ基板として安価なサファイア基板などを用い、モニタ基板によって破壊検査を行なえば、破壊検査によるエピタキシャル膜の評価が可能となる。つまり、破壊検査によりエピタキシャル膜全体の評価を行なうことができるので、確実なエピタキシャル膜の膜質検査が実施できる。かつ、高価な基板が無駄になることがないために、歩留りが向上し、製造コストを低減することができる。

上記エピタキシャル基板の製造方法において好ましくは、エピタキシャル膜を形成する工程では、モニタ基板の成膜温度を、基板の成膜温度と異ならせる。基板とモニタ基板とは異なる材質からなるために、エピタキシャル膜の最適な成膜温度が異なる場合がある。その場合には、モニタ基板の成膜温度を基板の成膜温度と異ならせることにより、基板およびモニタ基板のいずれについても最適な成膜温度においてエピタキシャル膜を形成することができる。

このような成膜温度の調整は、たとえばサセプタの材質や形状を局所的に変えることにより行なうことができる。またたとえば、反応ガスの流れを利用し、基板表面へのガス噴出による温度低下によって温度調整を行なうことができる。またたとえば、ヒータ設計を工夫することで温度調整を行なうことができる。

上記エピタキシャル基板の製造方法において好ましくは、モニタ基板の径は、基板の径よりも小さい。この場合は、サセプタ全体のサイズを減少させることができる。

また好ましくは、基板の材質は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣのいずれかである。基板の材質が安価である場合では、モニタ基板の材質を基板と異なるものとすることによる歩留り向上、製造コスト低減の効果は小さい。基板の材質を高価なワイドギャップ半導体基板とすることによって、製造コスト低減の効果をより顕著に得ることができる。

この発明に係る製造装置は、チャンバ内で基板の表面にエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造装置である。製造装置は、チャンバ内において、基板と、基板と異なる材質からなるモニタ基板とを搭載可能なサセプタを備える。また、基板およびモニタ基板を加熱する加熱部材を備える。また、成膜原料を基板およびモニタ基板の表面に供給する原料供給部を備える。また、基板とモニタ基板との加熱温度を変更する温度変更部を備える。

この構成によれば、基板とモニタ基板との表面上にはエピタキシャル膜が同じように形成される。基板として高価なワイドギャップ半導体基板を用いる場合、モニタ基板として安価なサファイア基板などを用い、モニタ基板によって破壊検査を行なえば、破壊検査によるエピタキシャル膜の評価が可能となる。つまり、破壊検査によりエピタキシャル膜全体の評価を行なうことができるので、確実なエピタキシャル膜の膜質検査が実施できる。かつ、高価な基板が無駄になることがないために、歩留りが向上し、製造コストを低減することができる。

この発明のエピタキシャル基板の製造方法および製造装置によると、破壊検査によってエピタキシャル層の十分な評価が可能である。また、歩留りを向上させ、製造コストを低減することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明のエピタキシャル基板の製造装置の一例を示す断面模式図である。図１に示すように、この製造装置は気相成長装置であって、チャンバ３の内部にサセプタ４を備える。サセプタ４の表面には、窪み部であるポケットが複数個形成されており、ポケットの内部には、基板１と、基板１と異なる材質からなるモニタ基板２とが搭載されている。また、サセプタ４の基板１が搭載されている側（すなわちサセプタ４にポケットが形成された表面）と反対側の裏面側には、サセプタを介在させて基板１およびモニタ基板２を加熱する加熱部材としての、ヒータ６が備えられている。また、サセプタ４の裏面側の中心部には、支持軸５が設けられている。支持軸５は、図示しない回転式モータによって動力を与えられ回転するようになっており、サセプタ４は支持軸５の回転によって、支持軸５とともに水平方向に回転する。

成膜原料としての原料ガスは、原料供給部としての原料ガス供給口７から、矢印ＩＧに示すように、チャンバ３内に供給される。原料ガスがチャンバ３内で基板１およびモニタ基板２の表面に供給されることにより、ヒータ６によって加熱された状態の基板１およびモニタ基板２の表面に、エピタキシャル膜が形成される。原料ガスはその後、排気口８から、矢印ＯＧに示すように排出される。

図２は、図１に示すサセプタの上面図である。図２には、図１に示す基板１およびモニタ基板２が搭載されたサセプタ４を、図１の上側から見た図を示す。図２に示すように、サセプタ４には、周辺に６枚の基板１と、中心部に１枚のモニタ基板２とが搭載されている。モニタ基板２は、等価な温度の位置であって、かつ温度制御しやすい位置である、サセプタ４の中心部に設置されている。

基板１としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの化合物半導体基板を用いることができる。一方モニタ基板２としては、基板１の材質と異なる材質であり安価である、サファイア基板を用いることができる。以下、基板１がＧａＮ基板であり、モニタ基板２がサファイア基板である例について説明する。

ＧａＮ基板とサファイア基板とでは、最適なエピタキシャル膜の成長温度が約１０℃異なる。つまり、サファイア基板の最適な成膜温度は、ＧａＮ基板の最適な成膜温度に対し、約１０℃低い。よって、基板１とモニタ基板２との加熱温度を変更し、モニタ基板２の加熱温度を基板１の加熱温度に対し１０℃下げることによって、基板１上およびモニタ基板２上のいずれにも、最適な条件でエピタキシャル膜を積層させることができることになる。

そこで、実施の形態１では、サセプタ４に連結された支持軸５が、基板１とモニタ基板２との加熱温度を変更する温度変更部として機能する。つまり、支持軸５は、サセプタ４の裏面側の中心部に設けられている。サセプタ４はヒータ６によって加熱されるが、支持軸５が熱の逃げる経路となり、熱の一部は、支持軸５を通って外部へ排出される。そのため、支持軸５が設けられているサセプタ４の中心部が、サセプタ４における最も温度の低い位置となる。よって、モニタ基板２をサセプタ４の中心部に配置することにより、モニタ基板２の加熱温度を基板１の加熱温度に対して低くすることができる。その結果、モニタ基板２の加熱温度を基板１の加熱温度に対して１０℃低い温度、すなわちサファイア基板に対して最適な成膜温度に保つことができれば、図１に示すエピタキシャル基板の製造装置を用いて、基板１およびモニタ基板２のいずれにも最適な条件でエピタキシャル膜を成膜することができる。

次に、エピタキシャル基板の製造方法について説明する。図３は、エピタキシャル基板の製造方法を示す流れ図である。図１〜図３に従ってエピタキシャル基板の製造方法を説明する。まず工程（Ｓ１）において、基板１と、基板１と異なる材質からなるモニタ基板２を準備する。具体的には、基板１としてたとえば直径２インチの円板形状のＧａＮ基板を準備し、モニタ基板２として、たとえば基板１と同じ形状である直径２インチの円板形状のサファイア基板を準備する。モニタ基板２としては、サファイア基板の表面上に、格子整合のためのＧａＮバッファ層が事前に形成されたものを準備することができる。次に工程（Ｓ２）において、チャンバ３内において、サセプタ４に形成された７つのポケットのうち中心部のポケットにモニタ基板２が配置され、周辺部の６つのポケットに基板１が配置されるように、基板１およびモニタ基板２をサセプタ４に搭載する。

次に工程（Ｓ３）において、ヒータ６を加熱することにより、サセプタ４を介在させて基板１およびモニタ基板２を加熱する。基板１がＧａＮ基板上にＧａＮ系エピタキシャル膜を形成するために最適な成膜温度にまで加熱され、モニタ基板２がサファイア基板上にＧａＮ系エピタキシャル膜を形成するために最適な成膜温度にまで加熱される。このとき、支持軸５から熱が外部へ排出されるためにモニタ基板２への熱伝達量は相対的に小さく、その結果、モニタ基板２は基板１よりも１０℃低い温度にまで加熱されている。この状態で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３などの原料ガスを矢印ＩＧに示すようにチャンバ３内に供給すれば、基板１およびモニタ基板２の表面に各々最適な成膜条件で、ＧａＮ系エピタキシャル膜が形成される。各デバイスの製造条件に従って最適な膜厚にまでＧａＮ系エピタキシャル膜が成膜されると、原料ガスの供給を中止し、ヒータ６を停止させる。ここで、ＧａＮ系エピタキシャル膜とは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを含む。

次に工程（Ｓ４）において、チャンバ３内から基板１およびモニタ基板２を取り出す。次に工程（Ｓ５）において、エピタキシャル膜の特性の検査を行なう。たとえば、基板１の全数を用いて、基板１の表面に形成されたエピタキシャル膜の、ＰＬやＸＲＤによる非破壊検査を行なうことができる。またモニタ基板２を用いて、モニタ基板２の表面に形成されたエピタキシャル膜の、非破壊検査および破壊検査を行なうことができる。工程（Ｓ３）で基板１およびモニタ基板２はいずれも最適な成膜温度に調整された上で、基板１およびモニタ基板２の表面にエピタキシャル膜が形成されている。そのために、基板１上に形成されたＧａＮ系エピタキシャル膜の膜質と、モニタ基板２上に形成されたＧａＮ系エピタキシャル膜の膜質とは、同等の特性を有していると考えられる。したがって、モニタ基板２上に形成されたエピタキシャル膜の検査（キャリア濃度測定、各層のＰＬ評価、電気特性評価など）によって、基板１上に形成されたエピタキシャル膜の膜質特性を把握することができる。

次に工程（Ｓ６）において、前工程（Ｓ５）の検査結果に基づき、基板１の良品判別を行なう。基板１が良品であると判断されれば、その基板１はその後のプロセスへ送られる。一方基板１が不良品であると判断されれば、その基板１は、エピタキシャル膜を研磨除去され、再度エピタキシャル膜形成が行なわれる。たとえば、ある１枚の基板１の非破壊検査の結果に基づき、当該基板１が良品であるか不良品であるかが判別される。またたとえば、モニタ基板２の破壊検査の結果、モニタ基板２に形成されたエピタキシャル膜が不良品であった場合には、当該モニタ基板２と同時にエピタキシャル膜が形成された６枚の基板１は、不良品であると判別される。このようにして、ＧａＮ基板である基板１の表面にＧａＮ系エピタキシャル膜が形成された、ＧａＮ系エピタキシャル基板が作製される。

以上説明したように、このエピタキシャル基板の製造方法においては、基板１として高価なワイドギャップ半導体基板であるＧａＮ基板を用い、モニタ基板２として安価なサファイア基板が用いられている。また基板１とモニタ基板２との表面上には、モニタ基板２の成膜温度を基板１の成膜温度と異ならせることにより、エピタキシャル膜が各基板に最適な条件で同時に形成されている。そのため、モニタ基板２を用いて破壊検査を行なえば、破壊検査による基板１に形成されたエピタキシャル膜の評価が可能となる。つまり、破壊検査によりエピタキシャル膜全体の評価を行なうことができるので、確実なエピタキシャル膜の膜質検査が実施できる。

これにより、エピタキシャル膜形成後の段階（すなわち図３に示す工程（Ｓ５））において、基板１の品質管理のための良品、不良品の判断を行なうことができる。その結果、特に基板１の費用がデバイス全体のコストに占める割合が高い高価なＧａＮ基板を用いる場合に、歩留りを向上させ、製造コストを低減することができる。かつ、高価な基板１が無駄になることがないために、さらに歩留りの向上および製造コストの低減を達成することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。図１に示す実施の形態１の製造装置と同様に、図４に示す製造装置は気相成長装置である。しかし、図１に示す装置は、基板１にエピタキシャル膜が形成される表面が上向きであるフェイスアップ型であるが、図４に示す装置は、基板１にエピタキシャル膜が形成される表面が下向きである、フェイスダウン型である点で異なっている。

具体的には、図４に示すように、製造装置は、チャンバ１３の内部にサセプタ１４を備える。サセプタ１４の表面にはポケットが形成されており、ポケットの内部には、基板１とモニタ基板２とが保持されている。フェイスダウン型であるために、基板１およびモニタ基板２は、サセプタ１４に形成された保持爪１９によって支持され、ポケットの内部に保持されている。図５は、図４に示すサセプタの下面図である。図５には、図４に示す基板１およびモニタ基板２が保持されたサセプタ４を、図４の下側から見た図を示す。図５に示すように、サセプタ１４の７つのポケットには、それぞれ３つの保持爪１９が、基板１またはモニタ基板２を支持できるように、平面形状円形のポケットの縁から中心に向かって内向するように、形成されている。

サセプタ１４の裏面側（つまり、図４ではサセプタ１４の上側）のヒータ１６と、支持軸１５との構成は実施の形態１と同様であり、その動作および温度変更部としての支持軸１５の機能も同じである。原料ガスの原料ガス供給口１７からの供給および排気口１８からの排出は、実施の形態１と同様に矢印ＩＧおよび矢印ＯＧに示す通りである。また、エピタキシャル基板の製造方法も実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態３の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、図６に示すように、サセプタ２４の中心部は周辺部と異なる材質である点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、サセプタ２４中心部に形成されたポケットの下部（つまり、モニタ基板２が搭載されるポケットが形成された部分の、当該ポケットの底部）に位置する材質変更部２９は、サセプタ２４の周辺部と異なる材質であって、より熱伝導率の低い材質によって形成されている。

つまり、ヒータ６からの熱は、熱伝導率の比較的高いサセプタ２４の周辺部を通って基板１により多く到達する。一方、熱伝導率の比較的低いサセプタ２４中心部の材質変更部２９を通りモニタ基板２に到達する熱は、より少ないことになる。そのために、基板１とモニタ基板２との加熱温度が変更され、モニタ基板２は基板１に対し、より低い温度となる。つまり、実施の形態３では、支持軸５に加え材質変更部２９が、温度変更部として機能している。実施の形態１で説明した支持軸５のみが温度変更部として機能する構成では基板１とモニタ基板２との温度差が不十分である場合には、図６に示すように、材質変更部２９をヒータ６とモニタ基板２との間に設置することによって、基板１とモニタ基板２との温度差を大きくすることができる。

材質変更部２９を形成する材質によって、モニタ基板２の加熱温度を変化させることができる。そのため、基板１およびモニタ基板２がどのような材質であっても、材質変更部２９の材質を調整することによって、基板１およびモニタ基板２がいずれも最適な成膜温度となるように、サセプタ２４を作製することができる。図６ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。

実施の形態３の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態４の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態４では、図６に示すように、サセプタ３４の中心部のポケットにスペーサ部材３９が設けられている点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、サセプタ３４中心部に形成されたポケットは、周辺に形成された６つのポケットに対し相対的に深く形成されている。よって、サセプタ３４の底部には、板状のスペーサ部材３９を配置することができ、モニタ基板２はスペーサ部材３９を介在させてポケットの内部に搭載されている。スペーサ部材３９は、サセプタ３４の材質に対し、より熱伝導率の低い材質によって形成されている。

つまり、ヒータ６からの熱は、熱伝導率の比較的高いサセプタ３４の周辺部を通って基板１により多く到達する。一方、熱伝導率の比較的低いスペーサ部材３９を通りモニタ基板２に到達する熱は、より少ないことになる。そのために、基板１とモニタ基板２との加熱温度が変更され、モニタ基板２は基板１に対し、より低い温度となる。つまり、実施の形態４では、支持軸５に加えスペーサ部材３９が、温度変更部として機能している。実施の形態１で説明した支持軸５のみが温度変更部として機能する構成では基板１とモニタ基板２との温度差が不十分である場合には、図７に示すように、スペーサ部材３９をヒータ６とモニタ基板２との間に設置することによって、基板１とモニタ基板２との温度差を大きくすることができる。

スペーサ部材３９を形成する材質によって、モニタ基板２の加熱温度を変化させることができる。そのため、基板１およびモニタ基板２がどのような材質であっても、スペーサ部材３９の材質を調整することによって、基板１およびモニタ基板２がいずれも最適な成膜温度となるように調整することができる。また、実施の形態３で説明した材質変更部２９が設けられている構成に対し、実施の形態４では、スペーサ部材３９を入れ替えることによってより簡易に、また基板１およびモニタ基板２の材質変更に合わせてより柔軟に、最適な成膜温度となるように温度調整を行なうことができる。

図７ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。実施の形態４の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態５）
図８は、実施の形態５のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態５の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態５では、図８に示すように、サセプタ４４の中心部に形成されたポケットの底部に空間４９が形成されている点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、サセプタ４４中心部に形成されたポケット（つまり、モニタ基板２が搭載されるポケットが形成された部分）の底部は、外周部を除いた部分が凹んだ形状に形成されている。モニタ基板２をポケットに設置すると、モニタ基板２はポケット底部外周側の保持部４４ａによって保持される。そして図８に示すように、モニタ基板２の下面側とポケットの底部との間には、空間４９が形成される。空間４９内には気体が存在しており（たとえばＮ_２、Ｈ_２など）、一般的に、気体は固体よりも熱伝導率が低い。

つまり、ヒータ６からの熱は、熱伝導率の比較的高い周辺部を通って基板１により多く到達する。一方、熱伝導率の比較的低い気体が存在する空間４９を通りモニタ基板２に到達する熱は、より少ないことになる。そのために、基板１とモニタ基板２との加熱温度が変更され、モニタ基板２は基板１に対し、より低い温度となる。つまり、実施の形態５では、支持軸５に加え空間４９が、温度変更部として機能している。実施の形態１で説明した支持軸５のみが温度変更部として機能する構成では基板１とモニタ基板２との温度差が不十分である場合には、図８に示すように、空間４９をヒータ６とモニタ基板２との間に形成することによって、基板１とモニタ基板２との温度差を大きくすることができる。

空間４９のサイズによって、モニタ基板２の加熱温度を変化させることができる。そのため、基板１およびモニタ基板２がどのような材質であっても、空間４９が形成されるサイズが調整されるようにポケット底部の凹み深さを調整することによって、基板１およびモニタ基板２がいずれも最適な成膜温度となるように、サセプタ４４を作製することができる。

図８ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。実施の形態５の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態６）
図９は、実施の形態６のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態６の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態６では、図９に示すように、モニタ基板５２の径が基板１の径よりも小さい点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、サセプタ５４中心部に形成されたポケット（つまり、モニタ基板５２が搭載されるポケットが形成された部分）は、外周部に形成された他のポケットに対し小さい径となるように形成されている。

図１０は、図９に示すサセプタの上面図である。図１０には、図９に示す基板１およびモニタ基板５２が搭載されたサセプタ５４を、図９の上側から見た図を示す。図１０に示すように、サセプタ５４には、周辺に６枚の基板１と、中心部に１枚のモニタ基板５２とが搭載されている。モニタ基板２の径は、基板１の径よりも小さくなっている。モニタ基板５２の径が小さいために、モニタ基板５２を破壊検査に供することによる歩留りの低下を、より抑制することができる。

また、モニタ基板５２の径が小さいために、サセプタ５４全体の径は、図２に示す実施の形態１のサセプタ４に対し小さくなっている。つまり、サセプタ５４全体のサイズは、サセプタ４に対し減少している。サセプタ５４の小型化によりサセプタ５４の製造コストの低減を図ることができ、したがって、図９に示すエピタキシャル基板の製造装置全体の小型化および製造コストの低減を達成することができる。

図９ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。実施の形態６の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態７）
図１１は、実施の形態７のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態７の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態７では、図１１に示すように、チャンバ６３の形状が異なり、そのためチャンバ６３内への原料ガスの流入方向が変更されている点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、チャンバ６３では、原料ガス供給口７がサセプタ４の中心部のポケットと対向する位置（図１１の上側）に形成されている。原料ガスは矢印ＩＧに示すように、チャンバ６３内に流入する。そのため、実施の形態７の製造装置では、原料ガスがモニタ基板２に吹き付けられるような構造となっている。

モニタ基板２表面への原料ガスの流れによって、モニタ基板２を冷却する効果が働く。つまり、実施の形態７では、支持軸５に加えチャンバ６３の構造が、温度変更部として機能している。実施の形態１で説明した支持軸５のみが温度変更部として機能する構成では基板１とモニタ基板２との温度差が不十分である場合には、図１１に示すように、原料ガスがモニタ基板２に吹き付けられるようなチャンバ６３の構造とすることによって、基板１とモニタ基板２との温度差を大きくすることができる。

原料ガス供給口７の径の調整によって、原料ガスのチャンバ６３への噴出速度を調整することができる。つまり、原料ガスによるモニタ基板２の冷却の程度を調整することができるので、モニタ基板２の加熱温度を変化させることができる。そのため、基板１およびモニタ基板２がどのような材質であっても、原料ガス供給口７の径を調整することによって、基板１およびモニタ基板２がいずれも最適な成膜温度となるように調整することができる。原料ガスのチャンバ６３への流入路の径を変更できるようなたとえば中空円筒形状のスペーサを、原料ガス供給口７に取り付けることによって、原料ガスのチャンバ６３への流入速度を変化させることも可能である。

図１１ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。図１２は、実施の形態７のエピタキシャル基板の製造装置の変形例を示す断面模式図である。図１２に示す製造装置はフェイスダウン型であり、図１１と同様に、原料ガスがモニタ基板２に吹き付けられるようにチャンバ７３が形成されているので、モニタ基板２の加熱温度を調整することができる。実施の形態７の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態８）
図１３は、実施の形態８のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。実施の形態８の製造装置と、上述した実施の形態１の製造装置とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態８では、図１３に示すように、基板を加熱する加熱部材がヒータ８６ａ〜８６ｆによって構成されている点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、サセプタ４の裏面側に設けられたヒータ８６ａ〜８６ｆは、それぞれ温度制御が可能であるようにされている。そのため、たとえばモニタ基板２に近接するヒータ８６ｃ、８６ｄの加熱量を小さくするように、制御することが可能となっている。

実施の形態８では、支持軸５に加えヒータ８６ａ〜８６ｆの構成が、温度変更部として機能している。実施の形態１で説明した支持軸５のみが温度変更部として機能する構成では基板１とモニタ基板２との温度差が不十分である場合には、ヒータ設計を工夫することによって、基板１とモニタ基板２との温度差を大きくすることができる。つまり図１３に示すように、サセプタ４の周方向においてヒータをゾーン制御し、ヒータ８６ｃ、８６ｄの加熱量を小さくして、サセプタ４の中心部のモニタ基板２が配置された箇所の加熱を抑制することができる。

ヒータ８６ａ〜８６ｆのそれぞれは、任意に加熱状態を制御できるものとし、任意のヒートパターンを形成可能とすることができる。このようにすれば、基板１およびモニタ基板２がどのような材質であっても、基板１およびモニタ基板２の加熱温度を変化させることによって、基板１およびモニタ基板２がいずれも最適な成膜温度となるように調整することができる。特に、サセプタ４が裏面側から支持軸５によって支持される構造ではなく、サセプタ４の外周部の側面において軸受によって支持される構造である場合には、支持軸５を経由した熱の逃げが起こらない。そのような構造の場合には、上記のヒータのゾーン制御によって、基板１とモニタ基板２との加熱温度を変更調整することが有効である。

図１３ではフェイスアップ型の製造装置について示しているが、フェイスダウン型としても同様の効果が得られることは勿論である。図１４は、実施の形態８のエピタキシャル基板の製造装置の変形例を示す断面模式図である。図１４に示す製造装置はフェイスダウン型であり、図１３と同様に、サセプタ１４の裏面側にヒータ９６ａ〜９６ｆが設けられているので、基板１およびモニタ基板２の加熱温度を調整することができる。実施の形態８の製造装置のその他の構成、およびエピタキシャル基板の製造方法については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

（実施の形態９）
図１５は、実施の形態９のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。図１５に示すように、この製造装置はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy、分子線エピタキシー）装置１００である。ＭＢＥ装置１００は、チャンバ１０３内にサセプタ１０４と、ＲＦ（Radio Frequency）ガン１１１と、クヌーセンセル１１４とを備える。基板を保持するサセプタ１０４は、基板を保持する面と反対側の裏面側の中心部において支持軸１０５によって支持されており、支持軸１０５とともに水平方向に回転する。またサセプタ１０４の裏面側には、基板を加熱するヒータ１０６が設けられている。

ＲＦガン１１１に外部から原料ガスを供給するための原料ガス供給口１１０は、チャンバ１０３の外壁を貫通して、外部の図示しない原料ガス源とＲＦガン１１１とを連通するように設けられている。また、クヌーセンセル１１４には、シャッタ１１３が設けられており、シャッタ１１３の開閉によって分子線の供給の開始・停止の制御が行なわれる。

ＭＢＥ装置１００の動作は以下の通りである。まず、表面にエピタキシャル膜を形成する対象である基板をサセプタ１０４に保持させ、その後チャンバ１０３内を１０^−１０Ｔｏｒｒ以下の超高真空とする。そしてヒータ１０６により基板を最適な成膜温度にまで加熱する。クヌーセンセル１１４の内部には、原料１１５としてのＧａ固体原料が充填されている。クヌーセンセル１１４を加熱して出てくる原料１１５の蒸気を分子線の形で放出させ、シャッタ１１３を開いて基板へ分子線を供給する。またＮ_２、ＮＨ_３などのＮ原子を含むガスを原料ガス供給口１１０から供給する。上記ガスは、ＲＦガン１１１において、ラジカル、原子などの形で基板に供給される。このようにして、サセプタ１０４に保持された基板の表面にエピタキシャル膜が形成される。

以上のように、実施の形態１〜８で説明した気相成長装置に限らず、ＭＢＥ装置１００によっても、エピタキシャル基板の製造が可能である。この場合、サセプタ１０４には基板１およびモニタ基板２を保持することができる。そして、実施の形態１〜８で説明した、サセプタ１０４の材質や形状の変更、またはヒータ１０６の制御を用いて、基板１とモニタ基板２との表面上にエピタキシャル膜を同時に最適な条件で形成することができる。

また、ＭＢＥ装置１００を用いるほか、たとえばＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy）法、液相エピタキシー法などによっても、エピタキシャル基板の製造が可能である。

これまでの説明においては、サセプタには周辺に６枚の基板１と、中心部に１枚のモニタ基板２とが保持される例について説明したが、サセプタはこのような構成に限られない。図１６は、サセプタの変形例を示す模式図である。図１６に示すサセプタ４には、表面の４箇所にポケットが形成されている。サセプタ４の周辺には基板１を保持するためのポケットが３箇所に形成されており、中心部にはモニタ基板２を保持するためのポケットが形成されている。このように、サセプタに保持される基板の枚数は限定されるものではなく、製造条件によって最適となる枚数の基板を保持できるサセプタとすればよい。

また、モニタ基板２は基板１と同サイズまたは基板１よりも小径の円板形状である例について説明したが、たとえば破壊検査を行なう場合などの必要な場合には、モニタ基板２の径は基板１よりも大きいものとしてもよい。またモニタ基板２の形状は円板形状に限られず、多角形板状でもよく、その他モニタ基板２内の加熱温度が均一であれば、異形の形状としてもよい。さらに、モニタ基板２の材質は、基板１と同一の材質とすることもできる。たとえば、基板１、モニタ基板２をともにＧａＮ基板とすることができる。この場合は、モニタ基板２を基板１よりも小径とすることにより、破壊検査に用いられるモニタ基板２が無駄になり歩留りが低下する影響を最小限に抑制することができる。

また、基板１の材質はＧａＮである例について説明したが、基板１の材質はワイドバンドギャップ半導体基板であるＡｌＮ基板やＳｉＣ基板であってもよい。この場合、モニタ基板２として用いられるサファイア基板との最適な成膜温度の差は、１０℃ではない。しかし実施の形態１〜８において説明した通り、基板１およびモニタ基板２の加熱温度を基板１の材質に合わせ調整することができるので、基板１、モニタ基板２ともに最適な成膜温度に保持してエピタキシャル膜を形成することが可能である。またエピタキシャル膜は、ＧａＮのほか、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどによって形成することができ、これらを積層させることもできる。このようにして製造されたエピタキシャル基板は、発光素子や電子デバイスなどの各種のデバイスに用いることができる。

また、モニタ基板２の最適な成膜温度が基板１の成膜温度よりも低い例について説明したが、モニタ基板２の最適な成膜温度が基板１よりも高い場合でも適用可能である。たとえば、図６に示すサセプタ２４において、材質変更部２９の熱伝導率をサセプタ２４の周辺部よりも高い材質とすることができる。またたとえば、図１３に示す構成において、ヒータ８６ｃ、８６ｄの加熱量を大きくして、モニタ基板２が配置された箇所がより加熱されるように制御することができる。

以下、この発明の実施例について説明する。サセプタに３枚の基板を搭載し、各基板あたり３点の温度を計測することで、サセプタ表面の温度分布を確認する実験を行なった。図１７は、実施例のサセプタにおける基板の配置および温度計測点を示す模式図である。図１７に示すように、３枚の基板１は、平面形状円形のサセプタ４の直径の方向に沿うように、並べられて配置されている。図１７に示すように、基板１が並べられたサセプタ４の直径方向のうちの一方向側を上流側（図１７の右側）、他方向側を下流側（図１７の左側）とする。各基板１における３点の温度計測点ＭＰは、基板１の中心部および外周部に設けられており、３枚の基板１が並べられた方向に沿うように、並べられている。基板１の直径は２インチ、サセプタ４の直径は２５０ｍｍとした。

実施例で用いた基板を加熱する加熱装置は、実施の形態１で説明した、サセプタの支持軸のみが基板の加熱温度を変更する温度変更部として機能し、支持軸が熱の逃げる経路となる構成とした。また、温度計測点ＭＰの温度の計測には、パイロメータを用いた。

図１８は、実施例の温度計測結果を示すグラフである。図１８のグラフの横軸は、図１７に示すサセプタ４の円形の中心点を原点（距離ゼロの点）とした場合に、各温度計測点が原点から上流側および下流側に離れる距離を示す。また図１８のグラフの縦軸は、各温度計測点における計測された温度を示す。図１８においてグラフ（１）〜（６）はそれぞれ、ヒータの温度設定を４７５℃、７８５℃、８８０℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃とした場合を示す。

図１８に示すように、サセプタの裏面側の支持軸を通って熱が外部へ排出された結果、サセプタの中心点（距離０ｍｍの点）における温度は、その他の点の温度に比較し低くなっていた。たとえば、図１８にグラフ（６）で示されたヒータの温度設定を１１５０℃とした場合では、サセプタの中心点から最も離れた点（距離±７５ｍｍの点）における温度は約１０００℃、約１０１７℃であるのに対し、サセプタの中心点における温度は約９５５℃と低くなっていた。

したがって、この発明のエピタキシャル基板の製造方法および製造装置では、サセプタ表面に、中心部の温度が低くなるように温度分布を設けることができるので、モニタ基板をサセプタ中心部に配置することで、モニタ基板の成膜温度を、基板の成膜温度と異ならせることができることが示された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明のエピタキシャル基板の製造方法および製造装置は、半導体発光素子や電子デバイスなどに使用される、ワイドギャップ化合物半導体基板上にエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャル基板の製造において、特に有利に適用され得る。

エピタキシャル基板の製造装置の一例を示す断面模式図である。 図１に示すサセプタの上面図である。 エピタキシャル基板の製造方法を示す流れ図である。 実施の形態２のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 図４に示すサセプタの下面図である。 実施の形態３のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 実施の形態４のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 実施の形態５のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 実施の形態６のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 図９に示すサセプタの上面図である。 実施の形態７のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 実施の形態７のエピタキシャル基板の製造装置の変形例を示す断面模式図である。 実施の形態８のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 実施の形態８のエピタキシャル基板の製造装置の変形例を示す断面模式図である。 実施の形態９のエピタキシャル基板の製造装置を示す断面模式図である。 サセプタの変形例を示す模式図である。 実施例のサセプタにおける基板の配置および温度計測点を示す模式図である。 実施例の温度計測結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板、２，５２ モニタ基板、３，１３，６３，７３ チャンバ、４，１４，２４，３４，４４，５４ サセプタ、５，１５ 支持軸、６，１６，８６ａ〜８６ｆ，９６ａ〜９６ｆ ヒータ、７，１７ 原料ガス供給口、８，１８ 排気口、１９ 保持爪、２９ 材質変更部、３９ スペーサ部材、４４ａ 保持部、４９ 空間、１００ ＭＢＥ装置、１０３ チャンバ、１０４ サセプタ、１０５ 支持軸、１０６ ヒータ、１１０ 原料ガス供給口、１１１ ＲＦガン、１１３ シャッタ、１１４ クヌーセンセル、１１５ 原料、ＩＧ，ＯＧ 矢印、ＭＰ 温度計測点。

Claims (5)

1. 製造装置のチャンバ内に、基板と、前記基板と異なる材質からなるモニタ基板とを配置する工程と、
   前記基板および前記モニタ基板の表面にエピタキシャル膜を形成する工程と、
   前記エピタキシャル膜が形成された前記モニタ基板を用いて、前記エピタキシャル膜の特性の検査を行なう工程とを備える、エピタキシャル基板の製造方法。
2. 前記エピタキシャル膜を形成する工程では、前記モニタ基板の成膜温度を、前記基板の成膜温度と異ならせる、請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
3. 前記モニタ基板の径は、前記基板の径よりも小さい、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
4. 前記基板の材質は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣのいずれかである、請求項１から請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。
5. チャンバ内で基板の表面にエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造装置であって、
   前記チャンバ内において、前記基板と、前記基板と異なる材質からなるモニタ基板とを搭載可能なサセプタと、
   前記基板および前記モニタ基板を加熱する加熱部材と、
   成膜原料を前記基板および前記モニタ基板の表面に供給する原料供給部と、
   前記基板と前記モニタ基板との加熱温度を変更する温度変更部とを備える、エピタキシャル基板の製造装置。

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