JP2009295685A

JP2009295685A - 成膜装置

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Publication number: JP2009295685A
Application number: JP2008146001A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hashimoto; 信橋本; Tatsuya Tanabe; 達也田辺
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-03
Also published as: JP4985547B2

Abstract

【課題】半導体基板などを加熱雰囲気中で成膜させる際には、昇温させるだけでも半導体基板には相当の反り（湾曲）が発生する。反りが原因で、基板上に成膜させた膜質の均質性が劣化したり、基板にクラックが発生しやすくなるなどの問題が起こる。
【解決手段】基板の主表面の上側と下側との両方から基板を加熱することにより、主表面の上側と下側との温度勾配（温度差）を小さくし、基板の反りを抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の主表面上に薄膜を気相成長ないしは真空蒸着させる成膜装置に関するものであり、より特定的には、半導体基板の主表面上に薄膜を成膜させる際に、半導体ウェハの主表面が加熱により湾曲することを制御する成膜装置に関するものである。

基板、たとえば半導体基板の一方の主表面上に、半導体素子を形成させるために薄膜を成長させる際には、加熱しながら半導体基板の一方の主表面上を、形成させたい薄膜を構成する原料のガスに曝露させる方法が一般的に行なわれている。原料ガスとしてはたとえば、カチオンとなるＩＩＩ族窒化物半導体の有機金属化合物や、アニオンとなるＶ族元素を含む原料ガスが用いられる。これらの原料ガスを、加熱された半導体基板の主表面上に供給することにより、半導体基板の一方の主表面上に薄膜を成長させる。

ここで、半導体基板を加熱する方法としては、従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体（非特許文献１）に示すように、たとえばＲＦ加熱、抵抗加熱、赤外線ランプ加熱などの方法がある。加熱した半導体基板に上述した原料ガス（気相）を用いて薄膜を成長させる技術を気相成長といい、気相成長を行なうための装置には、半導体基板をセットし、半導体基板を加熱する部材としてのサセプタを備えている。非特許文献１において開示されている半導体基板を加熱する方法は、いずれもサセプタの上に、加熱させたい半導体基板をセットしている。

図６は、従来から用いられている気相成長による成膜装置の内部の概要を示す概略図である。図６に示すように、従来から用いられている気相成長による成膜装置１００は基板、たとえば半導体基板１０をセットするためのサセプタ１の主表面方向に対して下側（図６において、半導体基板１０をセットした側と反対側の主表面に対向する方向）に、加熱部材としてのヒーター２を備えている。すなわちサセプタ１の下側から、サセプタ１および半導体基板１０が加熱される。そしてサセプタ１の上側（図６において、半導体基板１０をセットした側に対向する方向）には原料ガスを流すためのフローチャネル３が設置されている。ヒーター２がサセプタ１およびその上の半導体基板１０を加熱しながら、フローチャネル３の一方の端部（上流側）に設置された、原料ガスノズル４から、成膜させたい薄膜を構成する原料ガスをフローチャネル３の内部に流し、半導体基板１０の一方の主表面（図６に示す上側の主表面）がこの原料ガスを曝露できる状態にする。すると加熱された半導体基板１０の主表面上には、供給された原料ガスにて構成される薄膜が成膜される。このとき、成膜装置１００の内部の天井部（上側）に設置されたモジュール５から照射されるレーザー光を用いて、後述する半導体基板１０の曲率、すなわち半導体基板１０の主表面に沿った方向に関する湾曲の程度を測定することができる。

また、「取扱商品」（非特許文献２）においては、半導体基板としてのウェハは、昇温させるだけでも相当の反り（湾曲）が発生することをデータで示している。半導体基板の反りは、半導体基板の昇温により生じる熱の流れにより、半導体基板の上下側の温度差が現れるために発生するものである。
赤崎勇編書、「ＩＩＩ族窒化物半導体」、培風館、１９９４年、ｐ．１４７−１６５゛取扱商品″、[online]、丸文株式会社、[平成２０年３月１７日検索]、インターネット＜http://www.marubun.jp/product/thinfilm/other/qgc18e0000000db3.html＞

上述した薄膜を成長させるための成膜装置において、半導体基板をセットし、半導体基板を加熱する部材としてのサセプタは、現状、サセプタの上側に薄膜を成長させたい半導体基板をセットし、サセプタの下側にサセプタを加熱するためのヒーターを設置している。そして、サセプタをヒーターで下側から加熱することにより、サセプタの上側に設置された半導体基板を加熱する。そして、半導体基板の上側に、形成させたい薄膜を構成する原料のガスを流すという方法を用いている。なお、フェーズダウンの場合は、上述した場合と上下が逆になる。すなわち、サセプタの下側に薄膜を成長させたい半導体基板をセットし、サセプタの上側にサセプタを加熱するためのヒーターを設置している。そして、サセプタをヒーターで上側から加熱することにより、サセプタの下側に設置された半導体基板を加熱する。そして、半導体基板の下側に、形成させたい薄膜を構成する原料のガスを流すという方法を用いている。

以上の場合、たとえばサセプタの下側にヒーターが設置された場合は、ヒーターの熱がサセプタの下側から上側に伝わり、サセプタの上側にセットされた半導体基板の下側から上側に伝わる。さらに半導体基板の上方への輻射や、原料のガスへの伝熱により、熱が流れていく。すると、半導体基板の主表面方向に対する上下間に温度差が現れる。したがって、半導体基板であるウェハは、主表面に沿った方向に関して、反り（湾曲）を生じる。サセプタの下側にヒーターが設置された場合は、ウェハの下側の温度が上側の温度よりも高くなるため、ウェハの下側が凸（下に凸）になるように反りが発生する。また、たとえばフェーズダウンの場合のように、サセプタの上側にヒーターが設置された場合は、ウェハの上側の温度が下側の温度よりも高くなるため、ウェハの上側が凸（上に凸）になるように反りが発生する。

半導体基板であるウェハが、その主表面上に薄膜を成長している最中に反りを発生すると、ウェハの主表面とサセプタとの接触状況が、ウェハの主表面上の位置によって異なる。たとえば、サセプタの下側にヒーターが設置されていることによりウェハは下に凸になるように反りが発生した場合、ウェハの主表面の中央付近はサセプタと接触するが、主表面の縁部に近づくにつれてウェハとサセプタとの距離が大きくなる。したがってこの場合、ウェハの中央部分の温度がウェハの縁部の温度よりも高くなる。このようにして、ウェハの主表面上に温度分布が生じることにより、ウェハに成長させる薄膜の均質性が劣化することがある。

また、半導体基板であるウェハの主表面上に成長させる薄膜の種類によっては、たとえばシリコン（Ｓｉ）基板の主表面上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を気相成長させる場合などは、成膜後のウェハの反り（下に凸になる反り）が大きくなると、ウェハにクラックが発生することがある。以上のように、ウェハの主表面に沿った方向に関して上側と下側との間に熱の移動や温度差が発生することにより、ウェハの反り、均質性の劣化、場合によってはクラックの発生といった問題が発生することがある。

本発明は、上述した問題を解決するために鑑みなされたものであり、その目的は、半導体基板の主表面上に薄膜を成膜させる際に、半導体基板の主表面が加熱により湾曲することを制御する成膜装置を提供することである。

本発明における成膜装置は、基板を保持するサセプタと、サセプタの一方の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材と、サセプタの、一方の主表面と反対側に位置する他方の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材と、第１の加熱部材および第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を独立に制御可能な制御部とを備える。

上述したようにサセプタの一方の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材と、サセプタの一方の主表面と反対側に位置する他方の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材とを備えた成膜装置を用いることにより、サセプタの一方の主表面上にセットされた半導体基板は、上側と下側との両方から加熱部材により加熱されることが可能になる。すると、半導体基板の上側もしくは下側のいずれか一方にのみ加熱部材を設けて加熱させた場合に比べて、上側と下側との温度差が小さくなる。このため、半導体基板の上側もしくは下側のいずれか一方にのみ加熱部材を設けて加熱させた場合に比べて、半導体基板に薄膜を成長させたときの反りの量を小さくすることができる。また、半導体基板の上側と下側との温度差を小さくして、半導体基板の反りの量を小さくすることにより、半導体基板の温度均一性を向上させ、成膜させた薄膜を、半導体基板の主表面上全体にわたってほぼ均質化させることができる。

また、本発明における成膜装置は、基板を保持するサセプタと、サセプタの一方の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材と、サセプタの、一方の主表面と反対側に位置する他方の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材と、第１の加熱部材および第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を独立に制御可能な制御部とを備えるが、第１の加熱部材および第２の加熱部材は、一方のみを加熱することも、両方を加熱することも可能である。すなわち、本発明における成膜装置は、第１の加熱部材または第２の加熱部材のいずれか一方のみを加熱することによっても、良好な成膜が可能な能力を有している。したがって、成膜装置の内部における熱の流れを任意に制御することができる。

また、半導体基板の反りを小さくすることにより、半導体基板にクラックが発生する可能性を小さくすることができる。さらに、半導体基板の主表面方向に対して一方と他方との両方の主表面に対向するように加熱部材を配置することにより、半導体基板の主表面に対向する雰囲気中の原料ガスの、温度差による濃度勾配が小さくなるとともに、原料ガスの対流の発生を抑制させることができる。このため、成膜させた薄膜の膜質を向上させることができる。

また、本発明における成膜装置は基板の曲率または反りを測定する測定部をさらに備え、基板の曲率または反りを測定した結果に応じて、第１の加熱部材および第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を制御部にて独立に制御する機能をさらに備えていてもよい。以上のような機能を備えることにより、半導体基板の曲率の量や向きをリアルタイムで測定しながら、その測定結果を制御部から第１の加熱部材および第２の加熱部材にフィードバックし、半導体基板の曲率を小さくするように第１の加熱部材および第２の加熱部材の温度をリアルタイムで制御することができる。曲率を小さくすれば反りを小さくすることができるため、以上により、半導体基板の反りをさらに小さくすることができる。また、成膜中の半導体基板の曲率を測定する代わりに、たとえばレーザー光を用いて成膜中の半導体基板の反りを測定することも可能であり、上述した曲率の代わりに反りを用いて制御することもできる。

本発明においては、上述したサセプタおよび加熱部材を用いて、半導体基板の加熱を行なうが、加熱しながら半導体基板の一方の主表面上を、形成させたい薄膜を構成する成分の原料ガスを供給する。このような方法（気相成長）を用いることにより、半導体基板の結晶面に揃えた結晶配列の高品質な薄膜を形成させることができる。上述した方法（気相成長）を用いるための原料ガスとして、たとえば、塩化物ガスや、非金属材料の水素化物ガスを用いてもよい。あるいは、有機金属化合物の蒸気を用いてもよい。

また、上述したサセプタおよび加熱部材を用いて半導体基板を加熱しながら、基板の一方の主表面上に成膜させたい、たとえばＩＩＩ族窒化物半導体の薄膜を構成する成分の蒸気を真空中で堆積させる、真空蒸着による方法を用いてもよい。この方法を用いることにより、成膜の速度を遅くさせることや、成膜しながら薄膜のその場観察を行なうことができる。

本発明の成膜装置によれば、基板に反りやクラックが発生する可能性を小さくし、成長させた薄膜の膜質を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態が説明される。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、その説明は、特に必要がなければ、繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における気相成長による成膜装置の内部の概要を示す断面概略図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１における気相成長による成膜装置２００は基板、たとえば半導体基板１０であるウェハをセットするためのサセプタ１の上側に、サセプタ１の上側の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材としてのヒーター７を備えている。また、図１に示すように、サセプタ１の上側に存在するヒーター７と、サセプタ１とに挟まれた領域には加熱治具６が配置されている。なお、ここで主表面とは、たとえば半導体基板１０やサセプタ１などの表面のうち最も面積の大きい、水平方向に沿った方向にセットされている表面をいう。また、ここでは成長と成膜とはほぼ同義として用いる。

成膜装置２００のその他の構成は、先述した図６に示す成膜装置１００と同じである。すなわちサセプタ１の下側にも、サセプタ１の下側の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材としてのヒーター２を備えている。そしてサセプタ１の上側には原料ガスを流すためのフローチャネル３が設置されている。ヒーター７およびヒーター２がサセプタ１およびその上の半導体基板１０を加熱しながら、フローチャネル３の一方の端部（上流側）に設置された、原料ガスノズル４から、成膜させたい薄膜を構成する成分の原料ガスをフローチャネル３の内部に流し、半導体基板１０の一方の主表面（図１に示す上側の主表面）がこの原料ガスを曝露する状態にする。すると加熱された半導体基板１０の主表面上には、供給された原料ガスにて構成される薄膜が成膜される。このとき、成膜装置２００の内部の天井部（上側）に設置されたモジュール５から照射されるレーザー光を用いて、後述する半導体基板１０の曲率または反り、すなわち半導体基板１０の主表面に沿った方向に関する湾曲の程度を測定することができる。なお、ここで曲率も反りも、半導体基板１０の湾曲の程度の定量的指標であるが、曲率とは半導体基板１０の主表面上のある１点における湾曲の程度を表わす指標であり、反りとは半導体基板１０の主表面の全面における湾曲の程度や、湾曲に伴う半導体基板１０の主表面の形状を表わす指標である。

なお、図１においては、加熱治具６およびヒーター７、フローチャネル３は、左右方向において一部不連続になっているが、これはモジュール５から照射されるレーザー光を半導体基板１０の主表面上に伝播させるイメージを容易にするためである。したがって、モジュール５からのレーザー光を透過可能であれば、加熱治具６およびヒーター７の左右方向が連続になった部材を用いてもよい。また、図１においては、モジュール５からのレーザー光を上方から照射しているが、たとえばフローチャネル３の側面付近にモジュール５をセットし、モジュール５から半導体基板１０の主表面上に対して、半導体基板１０の主表面の方向に対して斜め方向から、フローチャネル３を透過可能なレーザー光を照射してもよい。この場合は、加熱治具６およびヒーター７の左右方向は当然に連続となる。いずれの場合にしても、図１は断面図であるので、実際は加熱治具６、ヒーター７、フローチャネル３ともに１つの部材である。

先述したように、サセプタ１は半導体基板１０をセットするためのものである。しかしそれに加えて、サセプタ１および加熱治具６はいずれも、ヒーターの熱を均一に半導体基板１０に伝える役割を備えている。具体的には、加熱治具６はヒーター７の発生する熱を、サセプタ１はヒーター２の発生する熱を、均一に半導体基板１０に伝播させる。サセプタ１、加熱治具６ともに、たとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）をコートさせたカーボン（Ｃ）で形成させる。炭化ケイ素は熱伝導性が高く、かつ耐熱性に優れているため、半導体基板１０に対して熱をスムーズに伝播させることができる。なお、上述した材質の他に、サセプタ１、加熱治具６の材質として、たとえば石英、サファイア、ＳｉＣ、熱分解炭素をコートしたカーボン、窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）を用いることができる。

フローチャネル３は、半導体基板１０の主表面上に原料ガスを供給するために設けられた配管である。このフローチャネル３の材質としては、たとえば石英を用いるが、この他にたとえばＳｉＣの薄膜をコートしたカーボン、サファイア、ＳｉＣ、熱分解炭素をコートしたカーボン、ＢＮ、ＴａＣ、ＳＵＳ、ニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。また、原料ガスノズル４から、フローチャネル３の内部に、形成させたい薄膜を構成する原料のガスを供給する。このとき、ヒーター７およびヒーター２によって半導体基板１０が加熱されていると、半導体基板１０の主表面上に供給された原料ガスは熱分解されて、半導体基板１０の主表面上に結晶（薄膜）を形成させることができる。

たとえば、半導体基板１０としてサファイア基板（ｃ面）を用いて、サファイア基板の一方の主表面上にＩＩＩ族化合物半導体の薄膜を形成させたい場合を考える。この場合、原料ガスノズル４から半導体基板１０の主表面上に供給されるガスとしては、薄膜を構成する金属にメチル基（−ＣＨ_３）を付加させることにより形成される、常温で高い蒸気圧を有する液体または固体の有機金属化合物の蒸気と、非金属材料の水素化物ガスとを用いる。これらのガスを、加熱した半導体基板１０の主表面上に吹きつけ、熱分解させて半導体結晶を得る、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＩＩＩ族化合物半導体の薄膜を半導体基板１０の主表面上に成膜させることができる。以上のようにヒーターによる加熱は、供給したガスを熱分解させて結晶を薄膜として成膜させるために行なうものである。

あるいは、原料ガスノズル４から半導体基板１０の主表面上に供給されるガスとして、塩化物ガスを用いる気相成長法（ＶＰＥ法）を用いてもよい。特に塩化物ガスと、非金属材料の水素化物ガスとを用いる気相成長法を、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）という。これらの原料ガスを、加熱した半導体基板１０の主表面上に吹きつけ、熱分解させて半導体結晶を得る。成膜装置２００を用いれば、上述したＭＯＶＰＥ法、ＶＰＥ法、Ｈ−ＶＰＥ法のいずれを行なうこともできる。

ここで、たとえば図６に示す従来の、サセプタ１の下側に配置されたヒーター２のみが存在する成膜装置１００を用いて１０５０℃にて成膜しようとすると、ヒーター２の発生する熱は、サセプタ１の下側から上側に伝わり、サセプタ１の上側にセットされた半導体基板１０（サファイア基板）の下側から上側に伝わる。さらに半導体基板１０の上方への輻射や、原料のガスへの伝熱により、大量の熱が流れていく。この下側から上側に向かう大量の熱が、サファイア基板の主表面の下側から上側にも伝播する。このとき、サファイア基板の主表面の下側と上側とで温度に勾配が発生し、このサファイア基板の主表面の下側と上側との温度勾配（温度差）により、サファイア基板の主表面の曲率が大きくなるため、サファイア基板の主表面に沿った方向に反りが発生する。

また、サセプタ１の下側から上側に向かう輻射熱等により、フローチャネル３の内部に供給される原料ガスについても、ガスの温度の勾配が生じる結果、ガスの対流が盛んになる。すると、原料ガスノズル４から供給される原料ガスは、半導体基板１０の主表面上を通過する際に、ガスの対流により、上下方向に繰り返し運動しながら通過する。このようなガスの対流は、半導体基板１０の主表面上への安定な気相成長を阻害する。

以上より、半導体基板１０（サファイア基板）の主表面の下側と上側との温度勾配（温度差）を小さくし、原料ガスの対流を小さくすれば、半導体基板１０の反りを抑制しながら、半導体基板１０の主表面上へ良好な気相成長を行なうことができるといえる。そのために、本発明においては、図６に示す従来の成膜装置１００に、サセプタ１の上側の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材としてのヒーター７を備え、サセプタ１の上側に存在するヒーター７と、サセプタ１とに挟まれた領域には加熱治具６を配置した構成を備えた、図１に示す成膜装置２００を用いて半導体基板１０の加熱を行なう。

すると、サセプタ１の一方の主表面上にセットされた半導体基板１０は、上側と下側との両方から加熱部材により加熱されることになる。すると、たとえば図６に示す成膜装置１００のように半導体基板１０の上側もしくは下側のいずれか一方にのみ加熱部材を設けて加熱させた場合に比べて、上側と下側との温度差が小さくなる。このため、半導体基板１０の上側もしくは下側のいずれか一方にのみ加熱部材を設けて加熱させた場合に比べて、半導体基板１０に薄膜を成長させたときの半導体基板１０の主表面の湾曲の程度である曲率を小さくし、反りの量を小さくすることができる。

なお、成膜装置２００においては、必要に応じて、たとえばヒーター７とヒーター２とのいずれか一方のみを加熱させることもできる。たとえば、成膜装置２００においてヒーター７を稼動させずにヒーター２のみを加熱させると、図６に示す成膜装置１００と同様の運営をさせることができる。別の言い方をすれば、成膜装置２００は、ヒーター７とヒーター２のいずれか一方のみを用いても良好な成膜が可能な能力を持っている。また、ヒーター７およびヒーター２の加熱温度は、それぞれ独立に任意の加熱温度に設定させることができる。したがって、成膜装置２００の内部の熱の流れを任意に制御することができる。

なお、先述したように、この場合、半導体基板１０の主表面に対して上側と下側との温度差が大きくなり、半導体基板１０の反りの量が大きくなる可能性がある。しかしたとえば、最初から（成膜する前から）相当の反りを有する半導体基板１０の反りを、成膜と同時に矯正する目的で、ヒーター７とヒーター２とのいずれか一方のみを加熱させることが可能となる。このように、ヒーター７とヒーター２とのいずれか一方のみを加熱させる場合も含めて、ヒーター７とヒーター２とのそれぞれを独立に任意の加熱温度に設定することができる。

また、半導体基板１０の主表面方向に対して一方（上側）と他方（下側）との両方の主表面に対向するように加熱部材を２台配置することにより、半導体基板１０の主表面に対向する雰囲気中の原料ガスの、温度差による濃度勾配が小さくなるとともに、原料ガスの対流の発生を抑制させることができる。このため、原料ガスはフローチャネル３の配管内を安定に上流側から下流側へ流れる。したがって、気相成長を半導体基板１０の主表面上で安定に行なうことができ、成長させた薄膜の膜質を向上させることができる。

また、半導体基板１０の主表面の湾曲の程度である曲率を小さくして、反りの量を小さくすることにより、半導体基板１０の主表面とサセプタ１との接触状況を、半導体基板１０の主表面上の位置によらず、すなわち半導体基板１０の中央部分も縁部もほぼ一定にすることができる。したがって、半導体基板１０の主表面の温度を、主表面上の位置によらずほぼ一定にすることができる。このように半導体基板１０の主表面上の温度分布をほぼ一定に保つことにより、半導体基板１０に成膜させる薄膜をほぼ均質にすることができる。

さらに、半導体基板１０に成膜するときの反りを制御することで、成膜後および降温後の半導体基板１０の反りを小さくすることにより、半導体基板１０にクラックが発生する可能性を小さくすることができる。たとえば一般的に、基板（半導体基板１０）と、基板上に成長させる膜との熱膨張係数が異なる場合、成膜後に降温するとき、基板の反りが大きくなり、基板にクラックが発生する場合がある。しかし、たとえばこの基板の物性に基づき発生する反りの方向とは反対方向の反りを、成膜中に発生させることにより、成膜中に基板の物性に基づき発生する反りを小さくする（矯正する）ことができる。したがって、成膜後の基板における反りやクラックの発生を抑制することができる。このことは、先述したように成膜装置２００はヒーター７とヒーター２とのいずれか一方のみを加熱させることもでき、ヒーター７およびヒーター２のそれぞれの温度を独立に自由に制御できるということにより可能になる。

なお、薄膜を成膜させる半導体基板１０の材質としては、たとえばサファイア基板、Ｓｉウェハのほか、化合物半導体であるＧａＮやＳｉＣ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化アルミガリウム（ＡｌＧａＮ）のウェハ（基板）を用いてもよい。

ヒーター２およびヒーター７によって加熱されることにより、半導体基板１０に発生する反りの量を把握するための、半導体基板１０の主表面上のある１点における、主表面に沿った方向の湾曲の程度である曲率は、たとえば成膜装置２００の内部の天井部（上側）に設置された、測定部としてのモジュール５から照射されるレーザー光を用いて測定することができる。なお、先述したように、たとえばフローチャネル３の側面付近にモジュール５をセットし、モジュール５から半導体基板１０の主表面上に対して、半導体基板１０の主表面の方向に対して斜め方向から、フローチャネル３を透過可能なレーザー光を照射してもよい。

成膜中における半導体基板１０の反りは、モジュール５（ｉｎ−ｓｉｔｕモニター）が測定する曲率から、モジュール５にて演算により求められる。成膜中における半導体基板１０の反りを測定するための、モジュール５としては、市販のものを用いてもよい。また、半導体基板１０の主表面上のある１点の曲率を測定した上で演算により反りを算出するタイプのモジュール５を用いてもよいし、半導体基板１０全体の反り（形状）を測定することが可能なタイプのモジュール５を用いてもよい。また、成膜後の半導体基板１０全体の反りを測定するためには、上述したモジュール５を用いてもよいが、たとえば段差計や表面粗さ計を用いてもよい。

図２は、ヒーターの温度を制御する制御部を備えた成膜装置２０１の内部の概要を示す断面概略図である。図２に示す成膜装置２０１は、図１に示す成膜装置２００に、ヒーター７およびヒーター２の温度を制御する制御部３０をさらに備えた構成となっている。制御部３０はモジュール５に接続されており、モジュール５が半導体基板１０の主表面に沿った方向の曲率を測定した結果に応じて、半導体基板１０の曲率を所定の値にするように、リアルタイムでヒーター７およびヒーター２の加熱温度を独立に制御することができる。モジュール５に接続された制御部３０をヒーター７およびヒーター２に接続し、リアルタイムでヒーター７およびヒーター２の加熱温度を独立に制御することにより、半導体基板１０の曲率（反り）を制御し、その結果、半導体基板１０の反りの量を小さくすることができる加熱温度とすることができる。このような制御を繰り返すことにより、半導体基板１０の主表面に沿った方向の曲率および反りの量を制御しながら、半導体基板１０の一方の主表面上に薄膜を成膜することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における真空蒸着による成膜装置の内部の概要を示す断面概略図である。図２に示すように、本発明の実施の形態２における気相成長による成膜装置３０１は基板、たとえば半導体基板１０の一方の主表面上に成膜させたい薄膜を構成する成分の蒸気を照射するためのクヌーセンセル７１およびクヌーセンセル７２と呼ばれる筒状の先端にピンホールが空いた材料容器を備えた構成となっている。また、図示しないが成膜装置３０１は装置内を真空にする機能を備えている。

クヌーセンセル７１およびクヌーセンセル７２には、宇宙空間より高い真空中で材料を加熱蒸発させ、蒸発分子の飛散方向を揃えたジェット流（分子線）を加熱した半導体基板１０の主表面上に、ピンホールから照射することにより、半導体基板１０の主表面上に成膜させたいたとえばＩＩＩ族窒化物半導体の薄膜を結晶成長させるためのものである。このように、成膜させたい薄膜を構成する成分の蒸気の飛散方向を揃えた分子線を真空中で照射することにより、基板の一方の主表面上に堆積させる成膜方法を分子線エピタキシー（ＭＢＥ法）という。

たとえば、ＡｌＮの薄膜を半導体基板１０の一方の主表面上に成膜させたい場合には、まず、クヌーセンセル７１およびクヌーセンセル７２にそれぞれアルミニウム（Ａｌ）および窒素（Ｎ）を充填する。そしてクヌーセンセル７１を加熱し、Ａｌを蒸発させる。なお、クヌーセンセル７２に充填させたＮは常温で気体のため、加熱不要であるが、ここへたとえば金属材料などを充填させた場合は、クヌーセンセル７１と同様に加熱を行ない、材料を蒸発させる。そして、クヌーセンセルの先端部のピンホールからジェット流（分子線）を、真空中で加熱させた半導体基板１０の一方の主表面上に照射する。すると、半導体基板１０の主表面上に到達したＡｌとＮの分子は、加熱された半導体基板１０の主表面上にて付着および結合し、ＡｌＮ結晶を形成する。すなわちこれが真空蒸着されたＡｌＮの薄膜となる。ＭＢＥ法は、非平衡系でかつ化学反応過程を介さない方法であるため、結晶成長のメカニズム解析や、超薄膜の成長に適した成膜方法である。

なお、図３における成膜装置３０１には、クヌーセンセルを２台設置しているが、成膜させたい薄膜の種類に応じて、クヌーセンセルの台数を増加させてもよい。たとえば、３成分系のガリウムアルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）の薄膜を成膜させたい場合には、クヌーセンセルを３台設置すればよい。

上述した真空蒸着によるＭＢＥ法を利用する成膜装置３０１を用いる点においてのみ、本発明の実施の形態２は、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、図３に示すように、成膜装置３０１においても、サセプタ１の上側に半導体基板１０がセットされ、サセプタ１の上側の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材としてのヒーター７および、サセプタ１の下側の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材としてのヒーター２を備えている。２台のヒーターはそれぞれサセプタ１および加熱治具６を介して、半導体基板１０に熱を伝播する。このようにして、サセプタ１の一方の主表面上にセットされた半導体基板１０は、上側と下側との両方から加熱部材により加熱されるという構成は、たとえば図１に示す成膜装置２００や図２に示す成膜装置２０１と同じである。

以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。

実施例１は、本発明の成膜装置により、成膜させた薄膜の均質性および、積層構造の曲率を改善させた実施例である。図４は、成膜させた薄膜の均質性を調査するためのＨＥＭＴエピタキシャル構造の積層構造を示す概略図である。図４に示す、半導体基板１０（図１〜図３参照）としての６インチのサファイア基板１１（ｃ面）の一方の主表面上（図４における上側）に、膜厚２５ｎｍの低温ＧａＮ２１、その上に膜厚２μｍのＧａＮ２２、さらにその上に膜厚２５ｎｍで２５質量％のＡｌを含むＡｌＧａＮ４２のそれぞれの薄膜を積層させたエピタキシャル積層構造としてのサファイア積層構造５０のサンプルを、以下に示す方法で形成させた。

サンプル１は、図６に示す従来から用いられている成膜装置１００を用いて、図４に示すサファイア積層構造５０を形成した。ここで、図６において図示しない熱電対を用いて、サファイア積層構造５０におけるサファイア基板１１の主表面の温度Ｔを測定し、低温ＧａＮ２１を成膜するときのＴは５００℃に、また、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２のそれぞれを成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２を成膜した。

サンプル２は、図１に示す本発明の実施の形態１における成膜装置２００を用いて、ヒーター２のみ加熱させ、ヒーター７は加熱を行なわない状態で、図４に示すサファイア積層構造５０を形成した。ヒーター２の加熱温度はサンプル１を準備したときの加熱温度に準じており、具体的には、図１において図示しない熱電対を用いて、サファイア積層構造５０におけるサファイア基板１１の主表面の温度Ｔを測定し、低温ＧａＮ２１を成膜するときのＴは５００℃に、また、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２のそれぞれを成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２を成膜した。その他の成膜条件については、サンプル１の成膜時に順ずるようにした。

サンプル３は、図１に示す本発明の実施の形態１における成膜装置２００を用いて、ヒーター２およびヒーター７の両方を加熱させながら、図４に示すサファイア積層構造５０を形成した。このときのサファイア積層構造５０の主表面の温度Ｔは、サンプル１およびサンプル２を準備したときの温度に準じており、具体的には、図１において図示しない熱電対を用いて、サファイア積層構造５０におけるサファイア基板１１の主表面の温度Ｔを測定し、低温ＧａＮ２１を成膜するときのＴは５００℃に、また、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２のそれぞれを成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＧａＮ２２およびＡｌＧａＮ４２を成膜した。Ｔが上述した温度となるように、ヒーター７およびヒーター２の出力（加熱温度）を調整し、ヒーター７とヒーター２との出力がほぼ同じになるように調整しながら成膜を行なった。その他の成膜条件については、サンプル１の成膜時に順ずるようにした。

サンプル４は、図１に示す本発明の実施の形態１における成膜装置２００を用いて、ヒーター２およびヒーター７の両方を加熱させながら、図４に示すサファイア積層構造５０を形成した。このときのサファイア積層構造５０におけるサファイア基板１１の主表面の温度Ｔは、先述したサンプル１〜３を準備したときの温度に準じている。また、ここでも有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて成膜を行なった。Ｔが上述した温度となるように、ヒーター７およびヒーター２の出力（加熱温度）を調整し、かつ、成膜中におけるサファイア積層構造５０の曲率（もしくは反り）がほぼゼロになるように、具体的にはヒーター７とヒーター２との出力の比をおよそ６７：３３となるように調整した。その他の成膜条件については、サンプル１の成膜時に順ずるようにした。

以上の手順にて準備を行なったサンプル１〜４について、サファイア積層構造５０の主表面に沿った方向の曲率（基板の曲率）、サファイア積層構造５０の反りの向き（基板の反り）、シート抵抗（シート抵抗の分布）およびサファイア基板１１の主表面の中央部分のシート抵抗（中央部分のシート抵抗）を測定した。なお、基板の曲率は、モジュール５（図２参照）としてのｉｎ−ｓｉｔｕモニターを用いて、ＡｌＧａＮ４２の成膜中に測定した。また、シート抵抗については、成膜の終了後に非接触のシート抵抗測定装置を用いて、２次元電子ガス特性を評価した。測定結果を次の表１に示す。表１は、実施例１におけるサンプル１〜４の構成および測定データをまとめた表である。

表１より、従来から用いられている、サセプタ１の下側にのみヒーター２が設置されている成膜装置１００を用いた場合（サンプル１）も、本発明の成膜装置２００を用いながらサセプタ１の下側のヒーター２のみ加熱させた場合（サンプル２）も、同様の結果となった。具体的には、ＡｌＧａＮ４２の成膜中において、サファイア積層構造５０の主表面は凹方向、すなわち下に凸となるように、大きな曲率で湾曲している。また、シート抵抗についても、分布がサンプル１は±６２Ω／ｓｑ、サンプル２は±５２Ω／ｓｑとなっており、成長される薄膜の均質性が保たれていないことがわかった。サンプル１については、主表面の中央部分はシート抵抗の値が約４３３Ω／ｓｑと比較的良好な結果であるが、中央部分から縁部に近づくに従い、シート抵抗の値が大きくなり、分布が悪化した。サンプル２についても同様に、主表面の中央部分はシート抵抗の値が約４３１Ω／ｓｑと比較的良好な結果であるが、中央部分から縁部に近づくに従い、シート抵抗の値が大きくなり、分布が悪化した。したがって、サセプタ１の下側のみを加熱させると、サファイア積層構造５０の下側と上側との温度勾配（温度差）が大きくなるため、大きく湾曲し、サファイア積層構造５０の主表面内の温度分布が大きくなり、シート抵抗の分布が悪化することがわかった。

それに対して、たとえばサンプル３のように、サセプタ１の上側と下側との両方のヒーターを加熱させることにより、ＡｌＧａＮ４２の成膜中におけるサファイア積層構造５０の曲率は小さくなっている。また、シート抵抗の分布も±１１Ω／ｓｑに改善され、成長される薄膜の均質性が改善された。中央部分のシート抵抗の値も４２６Ωと良好である。

ただし、サセプタ１の上側のヒーター７と下側のヒーター２との出力をほぼ同じにすると、曲率は低いがまだ凹方向に湾曲している。また、主表面の中央部分から縁部に近づくにつれ、シート抵抗の値が顕著に増加した。サンプル１〜３の結果より、主表面の下側と上側との温度勾配（温度差）が存在する場合、サファイア積層構造５０の中央部分は温度が高い方に湾曲することがわかる。そこで、曲率を０にするために、温度の低い上側のヒーター７の出力を強くしたところ、サンプル４のように、曲率および反りの値はほぼ０になり、シート抵抗の分布も±４Ω／ｓｑと非常に改善された。中央部分のシート抵抗の値も４２３Ωと良好である。この場合は、主表面の中央部分から縁部に近づいても、シート抵抗の値の顕著な増加も確認されなかった。

以上のように、第１の加熱部材としてのヒーター７および第２の加熱部材としてのヒーター２のそれぞれの加熱温度を独立に制御可能な制御部３０を用いて独立に制御させることができるＭＯＶＰＥ装置を用いることにより、サファイア積層構造５０の主表面上に形成されている薄膜の均質性を大幅に向上させることができた。

サセプタ１の主表面の下側と上側との両方のヒーターを加熱させることで、フローチャネル３（図２参照）の下側と上側との温度勾配（温度差）を小さくすることにより、サファイア積層構造５０の主表面に対向する雰囲気中の原料ガスの対流の発生を抑制させることができる。このため、原料ガスはフローチャネル３の配管内を安定に上流側から下流側へ流れる。したがって、成膜をサファイア積層構造５０の主表面上で安定に行なうことができ、サファイア積層構造５０のシート抵抗の分布などの特性が向上したと考えられる。

また、それに加えて、熱対流を抑制させれば、対流に起因する付加反応や重合反応が抑制される。このように付加反応や重合反応が抑制されることにより、特性が向上するという効果も考えられる。

また、サセプタ１の主表面の下側と上側との両方のヒーターを加熱させることで、サファイア積層構造５０の主表面の下側と上側との温度勾配（温度差）を小さくすれば、湾曲の程度である曲率を小さくすることができる。曲率を小さくすることにより、サファイア積層構造５０の主表面とサセプタ１との接触状況を、サファイア積層構造５０の主表面上の位置によらず、すなわちサファイア積層構造５０の中央部分も縁部もほぼ一定にすることができる。したがって、主表面の温度を、主表面上の位置によらずほぼ一定にすることができる。このように主表面上の温度分布をほぼ一定に保つことにより、成長させる薄膜をほぼ均質にすることができた、と考えられる。

なお、薄膜を成膜させる途中においてサファイア積層構造５０に発生する反りは、たとえば加熱温度、供給する原料ガスの種類や量などの薄膜の成長条件、サファイア積層構造５０の種類、および使用する基板の種類によって変化する。このため、サセプタ１の主表面の下側と上側との温度勾配（温度差）についても、上述した薄膜の成長条件によって変化する。このため、薄膜の成長条件を変更するごとに、ヒーター７およびヒーター２の出力の比率は独立して変更させることが好ましい。

実施例２は、本発明の成膜装置により、成膜させた積層構造の反りの量を改善させ、クラックを抑制させた実施例である。図５は、成膜させた薄膜の反りおよびクラックの発生を調査するためのＨＥＭＴエピタキシャル構造の積層構造を示す概略図である。図５に示す、半導体基板１０（図１〜図３参照）としての５インチのシリコン基板１２（方位は（１１１）面に沿った方向、厚みは７００μｍ）の一方の主表面上（図５における上側）に、膜厚１００ｎｍのＡｌＮ３２、その上に膜厚２５ｎｍのＧａＮ膜および膜厚５ｎｍのＡｌＮ膜とのペアー積層６２を４０層積層させて合計１．２μｍの厚みとしたものを積層させた。さらにペアー積層６２の上には膜厚１．２μｍのＧａＮ２２の薄膜を積層させたエピタキシャル積層構造としてのシリコン積層構造６０のサンプルを、以下に示す方法で形成させた。

シリコン基板１２の主表面上に窒化物半導体エピタキシャル層を成長させた場合、成膜後の降温時に、シリコン基板１２と成長させた窒化物半導体エピタキシャル層との熱膨張係数の違いにより、下に凸の反りが大きくなり、さらには窒化物半導体エピタキシャル層にクラックが生じることがある。そこで実施例２においては、シリコン基板１２上に成膜させたときの反りおよびクラックの発生の有無について調査を行なった。

サンプル５は、図６に示す従来から用いられている成膜装置１００を用いて、図５に示すシリコン積層構造６０を形成した。ここで、図６において図示しない熱電対を用いて、シリコン積層構造６０におけるシリコン基板１２の主表面の温度Ｔを測定し、上述したそれぞれを薄膜を成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＡｌＮ３２、ペアー積層６２およびＧａＮ２２を成膜した。

サンプル６は、図１に示す本発明の実施の形態１における成膜装置２００を用いて、ヒーター２のみ加熱させ、ヒーター７は加熱を行なわない状態で、図５に示すシリコン積層構造６０を形成した。ヒーター２の加熱温度はサンプル５を準備したときの加熱温度に準じており、具体的には、図１において図示しない熱電対を用いて、シリコン積層構造６０におけるシリコン基板１２の主表面の温度Ｔを測定し、上述したそれぞれを成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＡｌＮ３２、ペアー積層６２およびＧａＮ２２を成膜した。その他の成膜条件については、サンプル５の成膜時に順ずるようにした。

サンプル７は、図１に示す本発明の実施の形態１における成膜装置２００を用いて、ヒーター７のみ加熱させ、ヒーター２は加熱を行なわない状態で、図５に示すシリコン積層構造６０を形成した。ヒーター７の加熱温度はサンプル５を準備したときの加熱温度に準じており、具体的には、図１において図示しない熱電対を用いて、シリコン積層構造６０におけるシリコン基板１２の主表面の温度Ｔを測定し、上述したそれぞれを成膜するときのＴが１０５０℃の状態で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることにより、ＡｌＮ３２、ペアー積層６２およびＧａＮ２２を成膜した。その他の成膜条件については、サンプル５の成膜時に順ずるようにした。

以上の手順にて準備を行なったサンプル５〜７について、シリコン積層構造６０の主表面に沿った方向の、昇温時の反りの向き（１０５０℃昇温時基板の反り）、昇温時の曲率（１０５０℃昇温時基板の曲率）、成膜後の反りの大きさ（成膜後の基板の反りの量）、およびクラックの有無を測定した。曲率は、モジュール５（図２参照）としてのｉｎ−ｓｉｔｕモニターを用いて、シリコン基板１２が１０５０℃まで昇温した時点で測定し、反りについては、１０５０℃まで昇温した時点、および成膜の終了後に、モジュール５としてのｉｎ−ｓｉｔｕモニターを用いて測定した。また、クラックの有無については、成膜の終了後に光学顕微鏡を用いて評価を行なった。測定ないし評価の結果を次の表２に示す。表２は、実施例２におけるサンプル５〜７の構成および測定データをまとめた表である。

表２より、従来から用いられている、サセプタ１の下側にのみヒーター２が設置されている成膜装置１００を用いた場合（サンプル５）も、本発明の成膜装置２００を用いながらサセプタ１の下側のヒーター２のみ加熱させた場合（サンプル６）も、同様の結果となった。具体的には、シリコン基板１２を１０５０℃まで昇温した時点で、後にシリコン積層構造６０となるシリコン基板１２の主表面は凹方向、すなわち下に凸となるように、大きな曲率（いずれも４０ｋｍ^−１）で湾曲している。成膜が終わった後のサンプル５およびサンプル６ともに、１００μｍ程度の大きな反りが発生しており、クラックが発生していた。

また、本発明の成膜装置２００を用いながらサセプタ１の上側のヒーター７のみ加熱させた場合（サンプル７）は、シリコン基板１２を１０５０℃まで昇温した時点で、後にシリコン積層構造６０となるシリコン基板１２の主表面は凸方向、すなわち中央部分が上側に反れる（上に凸となる）ように湾曲しており、曲率は、その絶対値が３０ｋｍ^−１であった。成膜が終わった後のサンプル７については、反りは３０μｍとサンプル５、サンプル６よりは大幅に小さくなり、クラックは発生していなかった。

以上の結果より、通常、シリコン基板１２上の窒化物半導体エピタキシャル層は、シリコンと窒化物半導体との熱膨張係数の差により、降温時には凹方向に反り、クラックが発生しやすい。しかし、通常の成膜方法であるシリコン積層構造６０の下側だけから加熱を行なえばシリコン積層構造６０が凹方向に大きく湾曲するが、シリコン積層構造６０の上側から加熱を行ない、シリコン積層構造６０の凹方向の湾曲を抑制（矯正）し、むしろ凸方向に湾曲させることにより、成長後のシリコン積層構造６０の反りと、クラックの発生とを抑制させることができることがわかった。また、サンプル５、６とサンプル７との湾曲ないし反りの程度を比較することにより、シリコン積層構造６０は凹方向に反れやすいため、凹方向の反りを抑制することが、クラックの発生の抑制につながるということもできる。

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。本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。

本発明の成膜装置は、成膜される基板の反りを改善することにより、基板の膜質の均質性を改善させ、基板のクラックを抑制する技術として、特に優れている。

本発明の実施の形態１における気相成長による成膜装置の内部の概要を示す断面概略図である。ヒーターの温度を制御する制御部を備えた成膜装置２０１の内部の概要を示す断面概略図である。本発明の実施の形態２における真空蒸着による成膜装置の内部の概要を示す断面概略図である。成膜させた薄膜の均質性を調査するためのＨＥＭＴエピタキシャル構造の積層構造を示す概略図である。成膜させた薄膜の反りおよびクラックの発生を調査するためのＨＥＭＴエピタキシャル構造の積層構造を示す概略図である。従来から用いられている気相成長による成膜装置の内部の概要を示す概略図である。

符号の説明

１サセプタ、２ヒーター、３フローチャネル、４原料ガスノズル、５モジュール、６加熱治具、７ヒーター、１０半導体基板、１１サファイア基板、１２シリコン基板、２１低温ＧａＮ、２２ＧａＮ、３０制御部、３２ＡｌＮ、４２ＡｌＧａＮ、５０サファイア積層構造、６０シリコン積層構造、６２ペアー積層、７１クヌーセンセル、７２クヌーセンセル、１００成膜装置、２００成膜装置、２０１成膜装置、３０１成膜装置。

Claims

基板を保持するサセプタと、
前記サセプタの一方の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材と、
前記サセプタの、前記一方の主表面と反対側に位置する他方の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材と、
前記第１の加熱部材および前記第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を独立に制御可能な制御部とを備える、成膜装置。
基板を保持するサセプタと、
前記サセプタの一方の主表面に対向するように配置された第１の加熱部材と、
前記サセプタの、前記一方の主表面と反対側に位置する他方の主表面に対向するように配置された第２の加熱部材と、
前記第１の加熱部材および前記第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を独立に制御可能な制御部とを備えており、
前記第１の加熱部材および前記第２の加熱部材は、一方のみを加熱することも、両方を加熱することも可能な成膜装置。
前記基板の曲率または反りを測定する測定部をさらに備え、
前記基板の曲率または反りを測定した結果に応じて、前記第１の加熱部材および前記第２の加熱部材のそれぞれの加熱温度を独立に制御する、請求項１または２に記載の成膜装置。
前記基板の一方の主表面上に、成膜させたい薄膜を構成する成分の原料ガスを供給する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記原料ガスは塩化物ガスを含む、請求項４に記載の成膜装置。
前記原料ガスは非金属材料の水素化物ガスを含む、請求項４または５に記載の成膜装置。
前記原料ガスは有機金属化合物の蒸気を含む、請求項４に記載の成膜装置。
前記基板の一方の主表面上に、成膜させたい薄膜を構成する成分の蒸気を真空中で堆積させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記薄膜は、ＩＩＩ族窒化物半導体である、請求項４〜８のいずれか１項に記載の成膜装置。