JP2010199212A

JP2010199212A - 気相成長装置および気相成長法

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Publication number: JP2010199212A
Application number: JP2009040866A
Authority: JP
Inventors: Eitoku Ubukata; 映徳生方; Akira Yamaguchi; 晃山口; Koosuke Uchiyama; 康右内山
Original assignee: TAIYO NISSAN EMC KK; Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: TAIYO NISSAN EMC KK; Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】ＭＯＣＶＤ装置に導入される原料ガスの組成が変更された場合に、迅速に対向板の表面温度をこれに応じて変化させることでき、基板上の薄膜成長温度を常に適正に制御することができるようにする。
【解決手段】基板１３を回転可能に載置するサセプタ１１の上方に対向板１６を配し、この対向板の上方に温度調整用ディスク１７を配置し、この温度調整用ディスクを昇降させる駆動部を設ける。温度調整用ディスクはその内部に熱媒体を循環させる流路が形成され、熱媒体の温度および流量を調整して温度調整用ディスクに供給される。成膜する薄膜の組成に応じて温度調整用ディスクを上昇もしく下降させ、対向板表面温度を制御して薄膜形成を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、反応室内に基板を配置し、この基板表面に原料ガスを供給して薄膜を形成するための有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）などの気相成長装置およびこの装置を用いた気相成長法に関する。

有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）は、周知のように、有機金属の熱分解反応を利用して、基板表面に結晶薄膜を形成するもので、生成される結晶薄膜の品質は基板温度などの温度により大きく左右される。このため、基板温度、反応雰囲気温度などの温度制御を適正に行う必要がある。このような温度制御に関しては既に種々の提案がなされている。
例えば、特開平１１−１８０７９６号公報には、以下の提案がなされている。
この先行発明の気相成長装置は、図５に示すように、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉１の上部に水冷ジャケットＣ１〜Ｃ６を配置した点に特徴がある。すなわち、反応炉１内のサセプタ２の上方であって、かつこれに対向する位置に複数の水冷ジャケットＣ１〜Ｃ６を配置し、これら水冷ジャケットＣ１〜Ｃ６の各流路に流通させる冷却媒体の温度、流量を制御して反応炉１内の温度プロファイルを調整するものである。

この気相成長装置では、基板上の薄膜成長温度を最適に制御して特性の優れた薄膜を成長させることができる、基板対向面を高温に保って析出物を蒸発させて析出物の基板への落下を防止し、薄膜の表面欠陥密度を減少させることができる効果が得られるとされている。

この先行発明での温度プロファイルとは、サセプタの中心部から外周側に向けての半径方向における反応炉内の温度分布を称しており、水冷ジャケットを用いることで、この温度分布を均一にすることができると言うものである。

一方、ＭＯＣＶＤ装置のなかで、高温の原料ガスをサセプタの中心部から外周側に向けて高速で基板上に流す方式の装置がある。
このようなＭＯＣＶＤ装置では、例えば特開２００８−１１７１８７号公報に提案されているように、チャンバー内にサセプタに対向して円板状の対向板を配置し、サセプタと対向板との間隙を２〜５ｍｍ程度と狭め、これにより原料ガスを高速で流すようにしている。このタイプのＭＯＣＶＤ装置では、対向板の表面温度が基板上の薄膜成長温度に大きな影響を与えることになる。
このため、対向板の適切な温度制御を目的として、上述の水冷ジャケットを設けることが考えられ、水冷ジャケットへの冷却媒体の温度、流量を調整することで対向板の表面温度を適切に制御できることになる。

しかしながら、通常ＭＯＣＶＤ法では、組成の異なる原料ガスでは最適な薄膜成長温度が異なる。例えば、サファイア基板上にＧａＮ層を成膜し、ついでこの上にＡｌＧａＮ層を成膜し、さらにこの上にＩｎＧａＮ層を成膜する一連のプロセスを連続して行うことが普通であり、異なる組成の原料ガスが次々と装置に導入されることとなる。
したがって、原料ガスの組成が変更される度に対向板の表面温度を直ちに変更する必要が生じる。
しかし、上述の水冷ジャケットへの冷却媒体の温度、流量の制御によって、対向板の表面温度を速やかに変更することは困難である。

特開平１１−１８０７９６号公報特開２００８−１１７１８７号公報

よって、本発明における課題は、ＭＯＣＶＤ装置に導入される原料ガスの組成が変更された場合に、迅速に対向板の表面温度をこれに応じて変化させることでき、基板上の薄膜成長温度を常に適正に制御することができるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、反応室内のサセプタ上に基板を載置し、基板表面に薄膜を形成する気相成長装置であって、サセプタの上方にこれに対向するように対向板を配し、この対向板の上方に温度調整用ディスクをサセプタに対向するように配置し、この温度調整用ディスクを昇降させる駆動部を設け、
温度調整用ディスクはその内部に熱媒体を循環させる流路が形成されたものであり、熱媒体の温度および流量を調整して温度調整用ディスクに供給する熱媒体供給装置を設けたことを特徴とする気相成長装置である。

請求項２にかかる発明は、温度調整用ディスクには熱媒体の流入管と熱媒体の流出管と昇降用ロッドとが設けられており、反応室の上壁部には、これらの流入管、流出管および昇降用ロッドを挿通する複数のスリーブが設けられ、これらスリーブのいずれかにこれらの流入管、流出管および昇降用ロッドのいずれかを昇降させるディスクを昇降させる駆動部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置である。

請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載の気相成長装置を用いて基板表面に薄膜を形成する気相成長法であって、成膜する薄膜の組成に応じて温度調整用ディスクを上昇もしく下降させ、対向板表面温度を制御して薄膜形成を行うことを特徴とする気相成長法である。

本発明によれば、ＭＯＣＶＤ装置に導入される原料ガスの組成が変更され、成膜対象となる薄膜の組成が変更となって、その最適薄膜成長温度が変化しても、温度調整用ディスクを上下方向に昇降させることで、ただちに対向板の表面温度を変化させることができ、基板上の薄膜成長温度を速やかに原料ガス組成に応じた最適なものに変更することができる。
このため、薄膜組成の異なる複数の薄膜を基板上に連続的に成膜して積層する場合にも、常に良質の結晶薄膜を成膜することができる。

本発明のＭＯＣＶＤ装置の一例の要部を示す概略断面図である。本発明での温度調整用ディスクの熱媒体流路の形態の一例を示す説明図である。本発明での温度調整用ディスクの昇降機構を示す概略断面図である。本発明での温度調整用ディスクの上面の構造を示す概略上面図である。従来のＭＯＣＶＤ装置における要部を示す概略断面図である。

図１ないし図４は、本発明の気相成長装置の一例の要部を示すものである。
図１において、チャンバー内には、円盤状のカーボンなどからなり、複数の基板１３、１３・・をそれぞれ回転可能に載置するサセプタ１１が設けられ、このサセプタ１１は回転駆動軸１２により回転するようになっている。この回転駆動軸１２には、複数種の原料ガスをチャンバー内に導入する多重管構造のガス導入管が内蔵されており、このガス導入管の開口部がサセプタ１１の中心部に設けられて、原料ガスがサセプタ１１の表面に沿ってその外周側に流れるようになっている。

サセプタ１１の下面側には、基板１３を加熱するリング状のヒータ１４が設けられ、サセプタ１１の外周側には、リング状の排気通路１５が設けられ、チャンバー内のガスを排気するようになっている。
サセプタ１１の上方には、これに対向して円盤状の対向板１６が配されている。この対向板１６は、石英、ステンレス鋼、カーボンなどからなり、原料ガスの上方への移動を阻止し、反応室を構成するもので、サセプタ１１との間隙が２〜５ｍｍ程度となるように、配置され、この狭い間隙を原料ガスが高速でサセプタ１１の外周側に流れるように構成されている。

この対向板１６の上方には、温度調整用ディスク１７が配置されている。この温度調整用ディスク１７は、略円板状のものであって、その内部には熱媒体が流れる流路が形成され、その上表面の内周側にはこの流路に熱媒体を流入する流入パイプ１８が、外周側には流路からの熱媒体を導出する流出パイプ１９が取り付けられている。
さらに、図４に示すように、温度調整用ディスク１７の上表面の外周側には複数（この例では２個）のガイドシャフト２０、２０が取り付けられている。これらガイドシャフト２０、２０は、後述するように、温度調整用ディスク１７を昇降する際に用いられるものである。
温度調整用ディスク１７は、上下方向に昇降可能になっており、かつその昇降範囲内の任意の位置で停止できるようになっている。

図３、図４に示すように、チャンバーの蓋２１には、複数個の略円筒状のスリーブ２２、２２・・が円周上にほぼ等間隔の位置と中央部付近に立設されている。これらスリーブ２２、２２・・のうち、円周上に立設された１個の第１スリーブ２２ａには前記温度調整用ディスク１７の流出パイプ１９が挿通され、中央部付近に立設された１個の第２スリーブ２２ｂには前記流入パイプ１８が挿通され、残りの第３スリーブ２２ｃ、２２ｃには前記ガイドシャフト２０、２０がそれぞれ挿通されている。

第１スリーブ２２ａの上部にはプーリー２３が回転可能に取り付けられ、このプーリ２３の中心孔内壁には内ネジが刻設されている。このプーリー２３の中心孔にも前記流出パイプ１９が挿通されており、この部分の流出パイプ１９の外周壁には、プーリー２３の中心孔内壁に刻設された内ネジに螺合する外ネジが刻設されており、プーリー２３を正転、逆転することで前記流出パイプ１９が上下方向に昇降するようになっている。
また、第１スリーブ２２ａの内周壁は、Ｏリング２４を介して摺動可能にかつ気密に流出パイプ１９の外周壁に接しており、これにより流出パイプ１９の昇降があっても、チャンバー内のガスが外部に漏れ出ることがないように構成されている。

第２スリーブ２２ｂに挿通された流入パイプ１８の外周にはサブスリーブ２５が一体に取り付けられており、このサブスリーブ２５の外周壁と第２スリーブ２２ｂの内周壁とが２個のＯリング２４、２４を介して摺動可能にかつ気密に接しており、これにより流入パイプ１８の昇降があっても、チャンバー内のガスが外部に漏れ出ることが内容になっている。

第３スリーブ２２ｃは、第１スリーブ２２ａと同様の構造になっており、その上部に取り付けられたプーリー２３を正転、逆転することで前記昇降シャフト２０、２０が上下方向に昇降できるようになっている。
図４に示すように、これらのプーリー２３、２３、２３には１本のタイミングベルト２６が架け渡されており、このタイミングベルト２６はサーボモータの駆動軸２７により駆動されるようになっている。
以上の構成により、サーボモータ２７を所定回転量で正転、逆転させることで、温度調整用ディスク１７を上下方向に所定量昇降することができ、かつ任意の位置に停止させることができる。

図２は、温度調整用ディスク１７の内部に形成された熱媒体の流路の例を模式的に示すものである。
内周側の流入パイプ１８から流入した熱媒体は、同心円状に形成された六周の流路２８を一筆書きのように流れて外周側の流出パイプ１９から排出される。流路２７の平面的な形状はこれに限られず、例えばコイル状のものであってもよい。
熱媒体は、図示しない熱媒体供給装置からその温度、流量が調整されて流入パイプ１８に送られ、流出パイプ１９から熱媒体供給装置に戻るようになっている。熱媒体の温度は０〜３００℃の範囲で調整される。

次に、このＭＯＣＶＤ装置による成膜方法について説明する。
例えば、サファイア基板上にＧａＮ層を成膜するには、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルガリウムを該装置に供給する。ＧａＮ薄膜の成膜に最適な対向板表面温度は、予め求められているので、この温度となるように温度調整用ディスク１７に熱媒体供給装置から温度、流量が制御された熱媒体が送られる。熱媒体の温度は通常０〜３００℃の間で制御される。

仮に、対向板表面温度が最適温度よりも低すぎると、対向板１６の表面に付着する反応生成物が多くなり、成膜中にこれら剥離し、基板に落下して、製品不良となる。一方、対向板表面温度が最適温度よりも高すぎると、原料ガス温度が高くなり過ぎ、気相中での反応が促進されすぎ、良好な結晶品質、良好な組成や膜厚均一性の実現が困難になってします。
対向板表面温度は、対向板近傍に配置された放射温度計などで計測される。

ついで、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を成膜するとすると、原料ガスはアンモニアとトリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムに変更される。ＡｌＧａＮ薄膜の成膜に最適な対向板表面温度はＧａＮ薄膜の時のそれと異なるので、対向板表面温度をただちに変更せねばならない。
この時、サーボモータ２７を回転駆動して、温度調整用ディスク１７を上昇もしくは下降させる。サーボモータ２７の回転方向および回転量は、図示しないモータ駆動制御部からの信号によって制御され、これにより温度調整用ディスク１７の移動方向および移動量が定められる。

基本的には、対向板表面温度を上げる場合には温度調整用ディスク１７を上昇させ、下げる場合には下降させる。
温度調整用ディスク１７の移動は、１〜３秒以内に行われ、対向板表面温度もこれに応じて短時間で変化し、速やかに新たな薄膜の成膜に最適な対向板表面温度となる。
これにより、基板上の薄膜成長温度を最適なものにすることができ、良質の薄膜を得ることが可能になる。

１１・・サセプタ、１２・・回転駆動軸、１３・・基板、１６・・対向板、１７・・温度調整用ディスク、１８・・流入パイプ、１９・・流出パイプ、２０・・ガイドシャフト、２２ａ・・第１スリーブ、２２ｂ・・第２スリーブ、２２ｃ・・第３スリーブ、２３・・プーリー、２６・・タイミングベルト、２７・・サーボモータ駆動軸

Claims

反応室内のサセプタ上に基板を載置し、基板表面に薄膜を形成する気相成長装置であって、サセプタの上方にこれに対向するように対向板を配し、この対向板の上方に温度調整用ディスクをサセプタに対向するように配置し、この温度調整用ディスクを昇降させる駆動部を設け、
温度調整用ディスクはその内部に熱媒体を循環させる流路が形成されたものであり、熱媒体の温度および流量を調整して温度調整用ディスクに供給する熱媒体供給装置を設けたことを特徴とする気相成長装置である。
温度調整用ディスクには熱媒体の流入管と熱媒体の流出管と昇降用ロッドとが設けられており、反応室の上壁部には、これらの流入管、流出管および昇降用ロッドを挿通する複数のスリーブが設けられ、これらスリーブのいずれかにこれらの流入管、流出管および昇降用ロッドのいずれかを昇降させるディスクを昇降させる駆動部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
請求項１または２に記載の気相成長装置を用いて基板表面に薄膜を形成する気相成長法であって、成膜する薄膜の組成に応じて温度調整用ディスクを上昇もしく下降させ、対向板表面温度を制御して薄膜形成を行うことを特徴とする気相成長法。