JP2010040555A - 化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャルウェハの膜厚がウェハ面内で不均一になることを防ぐため反応管の内壁面とサセプタの成長面と基板の成長面とを、常に、同一平面上に配置させることのできる化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を提供する。
【解決手段】複数の基板２が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタ３と、サセプタ３を、その中心軸廻りに水平に回転させる回転機構と、サセプタ３の成長面３ａ側に開口部６ｂを有し、サセプタ３に設置された基板２の成長面２ａに対して水平な方向に原料ガスを流して気相エピタキシャル成長させる反応管６とをリアクタ８内に備えて構成される化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１において、反応管６側に面するサセプタ３の外周面と反応管６の開口部６ｂ外周面とをベアリングボール１５を介して接触させたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板（ウェハ）に化合物半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置に関するものである。

近年、光ピックアップ用電源として用いられる半導体レーザーや、携帯電話用受信アンテナなどに用いられるＨＥＭＴなどに化合物半導体の需要が増大しており、それに伴って低価格で高品質な化合物半導体が得られる技術が求められている。このため、有機金属成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて１度に多数枚のエピタキシャルウェハを製造できる技術が必要となっている。

化合物半導体をエピタキシャル成長させるには、例えばIII−Ｖ族化合物半導体の場合には、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーパント原料ガスなどをリアクタ内に導入し、サセプタ上に設置されたヒーターで加熱された基板上に、これらの原料ガスを供給し熱分解させることで、基板表面にＧａＡｓなどの化合物半導体結晶を気相成長させる。

図４は、従来のＭＯＶＰＥ法を用いた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を示す図であり、図４（ａ）は、その断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ部拡大図であり、図４（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１は、複数の基板４２が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタ４３と、サセプタ４３を、その中心軸廻りに水平に回転させるターンテーブル５０からなる回転機構と、サセプタ４３の成長面４３ａと反対の面側に設けられ、基板４２を加熱するためのヒーター４５と、サセプタ４３の成長面４３ａ側に開口部４６ｂを有し、サセプタ４３に設置された基板４２の成長面４２ａに対して水平な方向に原料ガス流路（図示矢印）を形成し、気相エピタキシャル成長させる反応管４６と、反応管４６を支持する反応管ステージ４７とをリアクタ４８内に備えて構成される。

図示左側の原料ガス導入口４９より原料ガスが導入され、ヒーター４５によって熱分解され、分解された物質が基板４２上でエピタキシャル成長する。サセプタ４３は、その成長面４３ａと反対側の面に、径方向で対向して形成された２本のサセプタフック４３ｂで回転機構を構成するターンテーブル５０に吊下されており、ターンテーブル５０が自転することでサセプタ４３も自転して、基板４２はサセプタ４３の周方向に公転しながら、上述のエピタキシャル成長がなされる仕組みになっている。

この化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１において、エピタキシャル成長中の原料ガスの流れを乱さないため、図４（ｂ）に示すように、反応管４６の内壁面４６ａとサセプタ４３の成長面４３ａと基板４２の成長面４２ａとを同一平面上に配置させる必要がある。

図４（ｃ）に示すように、基板４２は、サセプタ４３に形成され基板４２を設置するためのポケット４３ｃに、１ポケット毎６ヶある突起４３ｄで支持されており、この突起４３ｄの上に置くことで、サセプタ４３の成長面４３ａと基板４２の成長面４２ａとを同一平面上に配置させている。

また、ターンテーブル５０と反応管ステージ４７昇降モーター（図示せず）で昇降させることができる。反応管４６の内壁面４６ａをサセプタ４３の成長面４３ａ、基板４２の成長面４２ａと同一面上に配置させるため、ターンテーブル５０の高さ位置と反応管ステージ４７の高さ位置をそれぞれエンコーダー（図示せず）で位置決めしている。

特開２００５−２１７０１８号公報 特開平１０−２１９４４７号公報

ところで、エピタキシャル成長間には、基板４２の入れ替えのため、搬送機構により、サセプタ４３を基板出し入れ室（図示せず）に搬送しており、この搬送の際に、ターンテーブル５０と反応管ステージ４７がモーター駆動で昇降する。

これらを昇降するとモーター回転の振動などで、ターンテーブル５０の高さ位置、反応管ステージ４７の高さ位置が通常の位置からずれてしまうことがある。これがずれてしまうと、サセプタ４３と反応管４６の高さ方向の隙間長がずれてしまい、反応管４６の内壁面４６ａとサセプタ４３の成長面４３ａ、基板４２の成長面４２ａとの間に段差ができてしまい、原料ガスの流れが乱れてしまう。原料ガスの流れが乱れると、基板４２のウェハ面内の膜厚均一性が悪くなってしまう問題が生じる。

また、膜厚が不均一な化合物半導体エピタキシャルウェハを用いて発光ダイオードやレーザーダイオードなどの発光デバイスを作製した場合、得られたデバイスには光学特性や電気的特性の不均一に伴い、歩留が大幅に低下する問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、エピタキシャルウェハの膜厚がウェハ面内で不均一になることを防ぐため反応管の内壁面とサセプタの成長面と基板の成長面とを、常に、同一平面上に配置させることのできる化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、複数の基板が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタと、該サセプタを、その中心軸廻りに水平に回転させる回転機構と、前記サセプタの成長面側に開口部を有し、前記サセプタに設置された前記基板の成長面に対して水平な方向に原料ガスを流して気相エピタキシャル成長させる反応管とを備え、これらがリアクタ内に設けられて構成される化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置において、前記反応管側に面する前記サセプタの外周面と前記反応管の前記開口部外周面とをベアリングボールを介して接触させた化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項２の発明は、前記サセプタの外周には、前記反応管の前記開口部外周面に沿った鍔部が形成され、その鍔部と前記反応管の前記開口部外周面にベアリングボールを案内する円周溝が形成される請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項３の発明は、前記サセプタは、成長面と反対側の面に、径方向で対向した一対のサセプタフックを有し、前記回転機構は、昇降自在なターンテーブルで形成されると共に、そのターンテーブルに前記サセプタの前記サセプタフックを着脱自在に係合するサセプタガイドを有する請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

請求項４の発明は、前記サセプタからの前記基板の出し入れを前記リアクタとは異なる場所である基板出し入れ室で行うため、前記サセプタを、前記リアクタと前記基板出し入れ室との間で往復させる搬送機構を設けた請求項３に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置である。

本発明によれば、反応管の内壁面とサセプタの成長面と基板の成長面とを、常に、同一平面上に配置させることができ、エピタキシャルウェハの膜厚がウェハ面内で不均一になることを防げる。また、本発明により製造されたエピタキシャルウェハを用いることで発光デバイスの歩留低下を防ぐことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な一実施の形態を示す化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を示す図であり、図１（ａ）は、その断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部拡大図であり、図１（ｃ）は、サセプタの斜視図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１は、複数の基板２が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタ３と、サセプタ３を、その中心軸廻りに水平に回転させるターンテーブル１１からなる回転機構と、サセプタ３の成長面３ａと反対の面側に設けられ、基板２を加熱するためのヒーター５と、サセプタ３の成長面３ａ側に開口部６ｂを有し、サセプタ３に設置された基板２の成長面２ａに対して水平な方向に原料ガス流路（図示矢印）を形成し、気相エピタキシャル成長させる反応管６と、反応管６を支持する反応管ステージ７とをリアクタ８内に備えて構成される。

基板２の成長面２ａが下方を向くように構成した方が、成長面２ａが上方を向くように構成する場合に比べ、基板２に原料ガスを供給する際に、原料ガスの対流が生じにくく、微細な積層構造を形成でき、かつ、リアクタ８内や反応管６内の堆積物が基板２表面に付着しにくく、表面不良が生じにくい。

ヒーター５は、ヒーターハウジング１２により、基板２を効果的に加熱できるようになっている。

反応管６は、例えば、幅よりも高さが短い扁平筒状に形成され、リアクタ８内を直線的に横断している。反応管６の一端（図では左側）には、原料ガスを供給するための導入口９が形成され、他端（図では右側）には、原料ガスを排出する排出口１３が形成される。

導入口９、排出口１３の位置と対応するリアクタ８の外壁には、それぞれ原料ガスを供給するための外部配管（図示せず）、原料ガスを排出するための外部配管（図示せず）が接続される。

また、反応管６には、基板２が設置されたサセプタ３を反応管６内の原料ガス流路に臨ませるべく、サセプタ３の成長面３ａを回転可能に収容する開口部６ｂが形成される。反応管６は、石英ガラスなど、不純物を含まず、エピタキシャル層の高純度化に適した材料で構成するとよい。

サセプタ３の外周には、サセプタ３を反応管６内のガス流路に臨ませたときに、サセプタ３が反応管６内に落下しないように、開口部６ｂの外周面に沿った鍔部３ｅが形成される。開口部６ｂの外周面および鍔部３ｅには、それぞれ円周溝１４ａ，１４ｂが形成される。

開口部６ｂの外周面に形成された円周溝１４ａには、ベアリングボール１５が敷き詰められ、その上にサセプタ３を載置することで、円周溝１４ａ，１４ｂでベアリングボール１５を挟み込み、サセプタ３と反応管６とが、ベアリングボール１５を介して回転可能に接触するようにされる。それにより、反応管６の内壁面６ａとサセプタ３の成長面３ａとが同一面上に配置される。

また、サセプタ３には、基板２を設置するためのポケット３ｃがサセプタ３の周方向に沿って複数形成されており、１ポケット毎６ヶある突起３ｄで基板２が支持される（図４（ｃ）の突起４３ｄ参照）。その突起３ｄの上に基板２を置くことで、図１（ｂ）に示すように、サセプタ３の成長面３ａと基板２の成長面２ａとが同一平面上に配置される。

すなわち、反応管６上にサセプタ３を載置すれば、自動的に反応管６の内壁面６ａとサセプタ３の成長面３ａと基板２の成長面２ａとが同一平面上に配置され、また、反応管６とサセプタ３との間にベアリングボール１５が設けられているため、上述の内壁面６ａ、成長面２ａ，３ａが同一平面上に配置された状態（反応管６にサセプタ３が載置された状態）を保ってサセプタ３を回転できる。

さらに、図１（ｃ）に示すように、サセプタ３は、その成長面３ａと反対側の面に、径方向で対向した一対のサセプタフック３ｂ，３ｂが形成される。このサセプタフック３ｂ，３ｂは、サセプタ３を回転機構、すなわちターンテーブル１１に係合させるためのものである。

ターンテーブル１１は、サセプタ３を支持する円盤状のテーブル部１１ａと、そのテーブル部１１ａの中心軸上に形成され、サセプタ３を回転させるための回転軸部１１ｂとからなる。また、ターンテーブル１１は、図示しない昇降モーターにより昇降するようになっている。

テーブル部１１ａには、サセプタ３のサセプタフック３ｂを着脱自在に係合するサセプタガイド１１ｃが形成される。回転軸部１１ｂは、図示しない回転モーターにより支持されており、回転モーターの回転力をサセプタ３に伝達するものである。

サセプタガイド１１ｃの高さｄ１とサセプタ３の厚さｄ２の和、すなわちｄ１＋ｄ２は、サセプタフック３ｂの高さｄ３よりも短くなるようにされる。ターンテーブル１１からサセプタ３を取り外す場合には、ターンテーブル１１を降下させて、そのテーブル部１１ａをサセプタ３の表面に接触させた状態でターンテーブル１１を回転させればよく、ターンテーブル１１にサセプタ３を取り付ける場合には、サセプタフック３ｂとサセプタガイド１１ｃが係合するようにターンテーブル１１を上昇させればよい。

エピタキシャル成長時には、ターンテーブル１１は、サセプタ３を持ち上げない程度に上昇されており、サセプタガイド１１ｃでサセプタフック３ｂを固定してターンテーブル１１の回転力をサセプタ３に伝達するようにされる。

反応管ステージ７は、反応管６を支持しており、ターンテーブル１１と同様に図示しない昇降モーターにより反応管６と一体に昇降するようにされる。これらが昇降することで後述する搬送機構が、ターンテーブル１１と反応管６の間に進入できるようになる。

エピタキシャル成長を行う際には、反応管６の導入口９および排出口１３が、上述した原料ガスを供給するための外部配管および排出するための外部配管と対応する位置に設置されるようにする。

リアクタ８内のターンテーブル１１と、リアクタ８とは異なる場所である基板の出し入れを行うための基板出し入れ室（図示せず）との間には、サセプタ３からの基板２の出し入れを基板出し入れ室で行うため、サセプタ３を、リアクタ８と基板出し入れ室との間で往復させる搬送機構（図示せず）が設けられる。

次に、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１の作用を説明する。

上述したように、膜厚が均一なエピタキシャルウェハを得るためには、エピタキシャル成長中の原料ガスの流れを乱さないため、図１（ｂ）に示すように、反応管６の内壁面６ａとサセプタ３の成長面３ａと基板２の成長面２ａとを同一平面上に配置させる必要がある。

ところが、ターンテーブル１１からサセプタ３を取り外して搬送機構で基板出し入れ室に搬送する際に、ターンテーブル１１および反応管６を、上昇および降下させて、ターンテーブル１１と反応管６との間に搬送機構が進入するための隙間を作る必要があり、これら昇降動作を昇降モーターにより行っている。

そのため、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１では、昇降モーター回転の振動などで、ターンテーブル５０の高さ位置、反応管ステージ４７の高さ位置が通常の位置からずれてしまうことがある。

また、エピタキシャル成長中に、ターンテーブル５０が回転軸に対して偏芯し、反応管４６の開口部４６ｂとサセプタ４３とが接触して、接触により発生した粉体がエピタキシャル層に付着することがあり、これを回避するために、開口部４６ｂとサセプタ４３との間にはクリアランスが設けられている。

そのため、クリアランスを大きくすると、そのクリアランスから原料ガスや不純物、パーティクルが流出するおそれがある。

本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１では、ベアリングボール１５を介して、サセプタ３と反応管６とが接触した状態、つまり、反応管６上にサセプタ３を載置した状態でサセプタ３を回転させるため、サセプタ３が偏芯することなく水平な回転を保つことができる。

また、敷き詰められたベアリングボール１５を介して、サセプタ３と反応管６とが接触しているため、原料ガスや不純物、パーティクルの流出を防ぐことができる。

以上要するに、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１によれば、ベアリングボール１５を介して、サセプタ３と反応管６とが接触させる構造となっているため、反応管６の内壁面６ａとサセプタ３の成長面３ａと基板２の成長面２ａとを、常に、同一平面上に配置させることができる。

そのため、化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１により製造されたエピタキシャルウェハは、ウェハ面内の膜厚がウェハ面内で均一となり、このエピタキシャルウェハを用いることで発光デバイスの歩留を向上させることができる。

また、ベアリングボール１５を介して、サセプタ３と反応管６とが接触した状態、つまり、反応管６上にサセプタ３を載置した状態でサセプタ３を回転させるため、サセプタ３が偏芯することなく水平な回転を保つことができ、膜厚が均一なエピタキシャルウェハを得ることができる。

さらに、サセプタガイド１１ｃの高さｄ１とサセプタの厚さｄ２の和ｄ１＋ｄ２を、サセプタフック３ｂの高さｄ３よりも短くなるように形成することで、ターンテーブル１１のテーブル部１１ａをサセプタ３の表面に接触させた状態でターンテーブル１１を回転させることにより、ターンテーブル１１とサセプタ３とを脱着自在にでき、従来の搬送機構をそのまま利用することが可能である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示した本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１と、図４（ａ）〜（ｃ）に示した従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１を用い、エピタキシャル成長実験を行った。

実験内容は、図２に示すエピタキシャル構造のエピタキシャルウェハを３０回繰り返しエピタキシャル成長したときのウェハ面内の膜厚分布の変化の推移を比較する内容である。

図２に示すように、本実験で用いたエピタキシャル構造２０は、ＧａＡｓ基板２１上に膜厚５０ｎｍのｕｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ層２２を成長させ、そのｕｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ層２２上に膜厚１０００ｎｍのｕｎ−ＡｌＧａＡｓ層２３を成長させたものである。

実験結果を表１、２、図３、５に示す。

図３、５は、それぞれ表１、２の結果をグラフ化したものである。

表１、図３に示すように、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置１を用いて成長されたエピタキシャルウェハは、終始、ウェハ面内の膜厚分布が変化していない。

しかしながら、表２、図５に示すように、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置４１を用いて成長されたエピタキシャルウェハは、突発的にウェハ面内の膜厚分布が変化している。

図１（ａ）は、本発明の好適な一実施の形態を示す化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置の断面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ部拡大図であり、図１（ｃ）は、サセプタの斜視図である。 エピタキシャル成長実験に用いたエピタキシャル構造を示す断面図である。 本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を用いたエピタキシャル成長実験の結果を示す実験図である。 図４（ａ）は、従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置の断面図であり、図４（ｂ）は、そのＢ部拡大図であり、図４（ｃ）は、サセプタを反応管側から見た図である。 従来の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置を用いたエピタキシャル成長実験の結果を示す実験図である。

符号の説明

１ 化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置
２ 基板
２ａ 基板の成長面
３ サセプタ
３ａ サセプタの成長面
６ 反応管
６ａ 開口部
１５ ベアリングボール

Claims (4)

1. 複数の基板が周方向に沿って設置された円盤状のサセプタと、該サセプタを、その中心軸廻りに水平に回転させる回転機構と、前記サセプタの成長面側に開口部を有し、前記サセプタに設置された前記基板の成長面に対して水平な方向に原料ガスを流して気相エピタキシャル成長させる反応管とを備え、これらがリアクタ内に設けられて構成される化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置において、
   前記反応管側に面する前記サセプタの外周面と前記反応管の前記開口部外周面とをベアリングボールを介して接触させたことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
2. 前記サセプタの外周には、前記反応管の前記開口部外周面に沿った鍔部が形成され、その鍔部と前記反応管の前記開口部外周面にベアリングボールを案内する円周溝が形成される請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
3. 前記サセプタは、成長面と反対側の面に、径方向で対向した一対のサセプタフックを有し、前記回転機構は、昇降自在なターンテーブルで形成されると共に、そのターンテーブルに前記サセプタの前記サセプタフックを着脱自在に係合するサセプタガイドを有する請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。
4. 前記サセプタからの前記基板の出し入れを前記リアクタとは異なる場所である基板出し入れ室で行うため、前記サセプタを、前記リアクタと前記基板出し入れ室との間で往復させる搬送機構を設けた請求項３に記載の化合物半導体エピタキシャルウェハ製造装置。

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