JP2011228357A - 有機金属気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数のウエハを同時に成膜処理しても、ウエハ内及びウエハ間で膜厚がばらつくことのない有機金属気相成長装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る有機金属気相成長装置は、反応容器１と、この反応容器１内に配置されたサセプタ保持台３、このサセプタ保持台３の上面に配置された複数のサセプタ４、サセプタ保持台３の下部に配置された抵抗発熱体５、反応容器１内に原料ガスを導入するガス導入部１１及び１５、反応容器１内のガスを排気するための排気路２０を備えている。サセプタ４の上面にはウエハ１００が載置される。反応容器１は下部反応容器２ａと蓋２ｂからなり、蓋２ｂの下面には複数のサセプタ４を互いに隔離する隔離部材９が取り付けられている。各サセプタ４と隔離部材９とから反応空間１０が形成される。ガス導入部１１及び１５は分岐導入管１３，１７を有しており、原料ガスは各反応空間１０に導入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数枚のウエハを一度に収容できる大型の反応容器を備えた有機金属気相成長装置に関する。

ウエハ上に薄膜を形成する方法の一つにMOCVD法（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）がある。MOCVD法はCVD法(化学気相成長法：Chemical Vapor Deposition)の一種で、ウエハ表面近傍に原料となる有機金属ガスを含むガスを導入し、化学反応を利用することによってそのウエハ上にGaAsやGaNなどの化合物半導体を結晶成長させる方法である。

近年、LEDの需要の増大に対応すべく、多数枚のウエハを一度に収容できる大型の反応容器を備えたMOCVD装置を用いて各ウエハ上に化合物半導体を結晶成長することが行われている。このようなMOCVD装置の反応容器は、例えば直径2インチのウエハであれば40〜45枚程度収容できる。

しかし、反応容器が大きくなると、ガリウム(Ga)含有ガスや窒素(N)含有ガス等の原料ガスをウエハ表面に均一に供給することが難しくなる。このため、ウエハ間の化合物半導体の結晶成長のばらつきが大きくなり、その結果、LEDの輝度や波長にばらつきが生じる。

また、反応容器に導入される原料ガスの反応効率は通常１〜数％といわれており、反応容器が大きい場合には大量の原料ガスが未反応のまま排気されることになる。
さらに、反応容器内では通常、ウエハ表面以外の場所でも化合物半導体の結晶化（成膜）が起き、パーティクルが発生する。反応容器が大きければその分、不必要な場所での化合物半導体の結晶化が増加し、その結果、パーティクル等の洗浄作業時間が増えて装置の実質的な稼働時間が少なくなる。また、パーティクルがウエハ上に落下してウエハが汚染されるという問題もある。

このような問題を解決するものとして、特許文献１には、円板状のサセプタと呼ばれる基台上に複数枚のウエハを放射状に載置し、サセプタの中央から外周に向かってウエハ表面に原料ガスであるGa含有ガス及びN含有ガスを層状に供給するMOCVD装置が開示されている。原料ガスをウエハ表面に層状に供給することで、ウエハ表面以外の場所でのGaNの結晶化を抑えることができ、未反応のまま排出される原料ガス量を少なく抑えることができる。

また、特許文献２や特許文献３には、サセプタに複数枚のウエハを載置し、サセプタの上部からGa含有ガス及びN含有ガスを分離してウエハ表面に供給する装置が開示されている。この装置では、サセプタを高速で回転させることでウエハ表面にGa含有ガス及びN含有ガスの層を形成させている。
しかし、GaNを製造するMOCVD装置では、ウエハの加熱温度を1000℃前後に制御して結晶化が行われるため、上記したようにウエハ表面に沿って層状に原料ガスを流すと、加熱されたウエハからの熱によってウエハ付近の原料ガスの流れが乱され易い。その結果、膜厚が不均一になり、各ウエハに結晶斑（厚さ斑）が生じ易いという問題がある。

一方、反応容器を大型化するのではなく、小型の反応容器を複数用いて多数枚のウエハを処理するいわゆるマルチチャンバ方式の装置が提案されている。
例えば、特許文献４や特許文献５には、１又は複数枚のウエハが載置されるサセプタを収容する複数の反応容器でそれぞれGaNの結晶成長を行うようにしたMOCVD装置が開示されている。しかし、複数の反応容器全てでウエハの加熱温度を同一且つ一定に制御することは大変難しく、反応容器間でGaNの結晶状態（膜厚など）が異なってしまうという問題がある。

また、特許文献６には、１個の円板状のサセプタ保持材の上に該保持材の外周に沿って複数のサセプタを配置し、各サセプタ間を隔壁で仕切るようにしたMOCVD装置が開示されている。このMOCVD装置では、サセプタの上に載置されたウエハの結晶成長面に対して平行になるように、サセプタ保持材の中心部から外周に向かって原料ガスを流すようにしている。しかし、このMOCVD装置では、サセプタ保持材の中心部から原料ガスを流すという構造上、サセプタ保持材の外周部分にしかサセプタを載置することができない。このため、ウエハの処理枚数が増えるとサセプタ及びサセプタ保持材の径が大きくなり、装置自体が大型化する。また、反応空間が大きくなるため、不必要な場所での化合物半導体の結晶化が増加する。さらに、原料ガスをウエハの結晶成長面に対して平行に導入すると、原料ガスを層状に流した場合と同様に、加熱されたウエハからの熱によってウエハ付近でガスの流れが乱され易いという問題もある。

特開平1-278497号公報 特表2001-506803号公報 WO2008/088743 特開2009-212531号公報 特開2002-212735号公報 特開2008-172083号公報

本発明が解決しようとする課題は、多数のウエハを同時に成膜処理しても、ウエハ内及びウエハ間で膜厚がばらつくことのない有機金属気相成長装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る有機金属気相成長装置は、
a)上面にウエハが載置されるサセプタを複数収容する反応容器、
b)前記複数のサセプタを互いに隔離する隔離部材、
c)前記隔離部材で隔離された各サセプタの上方から原料ガスを導入するガス導入部
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、サセプタ毎に原料ガスを導入するため、各サセプタに対する原料ガスの供給量を均一にすることができ、各ウエハの結晶成長の均等性（成長速度及び結晶膜の厚さの均一性）を高めることができる。また、隔離部材によって複数のサセプタを互いに隔離することで、サセプタ上方にのみ原料ガスが導入されるようにした。つまり、サセプタ上方の原料ガスが導入される空間の容積を小さくした。従って、導入された原料ガスの多くをウエハ表面に到達させることができる。このため、原料ガスのうち結晶成長に寄与することなく排出される原料ガスの量を低減することができる。さらに、ウエハの表面以外の不必要な場所での結晶成長を抑えることができるため、反応容器内の汚染やウエハの汚染低減を図ることができる。また、各サセプタの上方にガス導入部を配置することができるため、装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施例１に係るMOCVD装置の縦断面図。 反応容器内を上方から見て示す概略図。 １個の反応空間を拡大して示す図。 本発明の実施例２に係るMOCVD装置の縦断面図。 シャワープレートの縦断面図。 シャワープレートの変形例を示す縦断面図。 シャワープレートの別の変形例を示す縦断面図。 本発明の実施例３に係るMOCVD装置の縦断面図。 反応容器内を上方から見て示す概略図。 本発明のサセプタ保持台及びサセプタの変形例を示す図。 本発明の原料ガスの導入部分の変形例を示す図。

以下、本発明のいくつかの実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る有機金属気相成長装置(以下、「MOCVD装置」という）の概略図である。このMOCVD装置は、図示しないグローブボックス内に配置された反応容器１、この反応容器１内に収容された円板状のサセプタ保持台３、サセプタ保持台３に保持された複数のサセプタ４、前記サセプタ保持台３の下部に配置された抵抗発熱体５、反応容器１内に原料ガスである金属含有ガス（例えばトリメチルガリウム）を導入する第１ガス導入部１１及び原料ガスである窒素含有ガス（例えばアンモニア）を導入する第２ガス導入部１５、反応容器１内の結晶成長後のガスを排気するための排気路２０を備えている。サセプタ４の上にウエハ１００が載置される。ウエハ１００上の結晶成長がより均一になる点でサセプタ４は回転（自転）することが好ましい。図１ではサセプタ４の上にウエハ１００を一枚載置した例を示したが、サセプタ４上に複数の小径ウエハを載置してもよい。例えば直径6インチのサセプタ４の上に直径2インチのウエハ１００を７枚載置することができる。

反応容器１は下部反応容器２ａとこの下部反応容器２ａの上部開口を塞ぐ蓋２ｂから成る。蓋２ｂには隔離部材９が設けられており、隔離部材９によって６個のサセプタ４が互いに隔離されるようになっている。蓋２ｂと隔離部材９は一体の構造でもよいが、隔離部材９にパーティクル等が付着した際に洗浄等の目的で交換容易な点で、隔離部材９は蓋２ｂから取り外し可能な構造であることが好ましい。隔離部材９のうち後述する円錐台状の凹部９ａ以外の下面はサセプタ保持台３の上面よりもやや上方に位置し、且つサセプタ保持台３の上面とはほぼ平行になっている。前記サセプタ保持台３は軸６を介して下部反応容器２ａ内に回転可能に配置されている。軸６は中空状部材から成り、内部の空間は排気路２１を構成する。サセプタ保持台３の中央には排気路２１に連通する孔３ａが設けられており、結晶成長後の残留ガスは排気路２０の他、孔３ａを経由して排気路２１からも排気される。

図１〜図３に示すように、サセプタ保持台３の上面には複数、例えば６個の円形状の凹部７が前記サセプタ保持台３の外周に沿って形成されており、これらの凹部７内にそれぞれ１個ずつサセプタ４が保持されている。隔離部材９のうち前記凹部７の上方には円錐台状の凹部９ａがそれぞれ設けられており、６個のサセプタ４が互いに隔離されるようになっている。サセプタ４及び隔離部材９の凹部９ａから構成される円錐台状の空間を以下では「反応空間１０」と呼び、隔離部材９とサセプタ４との間の空間を以下では「通気部９ｂ」と呼ぶこととする。

反応容器１に隣接して設けられたロードロック室３０にはロボットアーム３１が設置されている。隔離部材９を蓋２ｂと共に上昇させた後、サセプタ保持台３を順次回転させつつロボットアーム３１でウエハ１００と共にサセプタ４を保持し、反応容器１から出し入れさせる。

前記第１ガス導入部１１及び第２ガス導入部１５は、それぞれ蓋２ｂに接続されている。前記第１ガス導入部１１は、金属含有ガス供給源(図示せず）に接続された主導入管１２、この主導入管１２から分岐した６個の分岐導入管１３、各分岐導入管に設けられたマスフローコントローラ１４を備えている。また、第２ガス導入部１５は、窒素含有ガス供給源(図示せず）に接続された主導入管１６、この主導入管１６から分岐した６個の分岐導入管１７、各分岐導入管１７に設けられたマスフローコントローラ１８を備えている。なお、図１では第１ガス導入部１１及び第２ガス導入部１５共に各２個の分岐導入管を示しているが、実際は、反応空間１０と同じ数(本実施例では６個）の分岐導入管を各ガス導入部１１，１５は有している。金属含有ガスおよび窒素含有ガスは、各反応空間１０に正確に均等に分配される必要がある。そのため、結晶成長中は、各分岐導入管に設けられたマスフローコントローラ１４、１８は、常にコンピュータによって流量が制御されるようになっている。

各分岐導入管１３，１７は蓋２ｂを貫通しており、その先端は各反応空間１０に開口している。各分岐導入管１３，１７の開口部１３ａ，１７ａはサセプタ４の中央付近の上部に位置している。図１に示すように、蓋２ｂの下面に対して各分岐導入管１３，１７はほぼ垂直に貫通しており、このため、各分岐導入管１３，１７の開口部から吐出されるガスは、サセプタ４(即ち、サセプタ４に載置されたウエハ１００）の表面に対してほぼ垂直に導入される。

上記構成のMOCVD装置において、ウエハ１００の表面に成膜する工程では、金属含有ガス及び窒素含有ガスは、それぞれ、図示しないガス供給源から主導入管１２，１６、分岐導入管１３，１７を経由して開口部１３ａ，１７ａから反応空間１０に導入される。
反応空間１０に導入された金属含有ガス及び窒素含有ガスは、抵抗発熱体５によって加熱されたウエハ１００の表面でGaNの結晶成長に消費された後、通気部９ｂを経由して排気路２０及び２１から反応容器１の外部に排出される。排気路２０は、結晶成長後のガスをサセプタ４の外周から均等に排気できる点で、サセプタ４の外周に均等に設けられていることが好ましい。

このように、本実施例では、反応容器１内に配置された複数個のサセプタ４と各サセプタ４を互いに隔離する隔離部材９によって各サセプタ４の上方の反応空間１０の容積を小さくした。そして、反応空間１０の上方から当該反応空間１０内に原料ガスを導入するようにした。このため、ウエハ１００の熱によって原料ガスが上昇することを防止できる。特に、本実施例では、隔離部材９によって円錐台状の反応空間１０が形成されるようにしたため、ウエハ１０の上方の反応空間１０の容積をより小さくすることができる。従って、反応空間１０内に導入された原料ガスの上昇を一層防止でき、ウエハ１００の表面以外の不必要な場所で結晶成長が起きることを防止できる。また、原料ガスの多くがウエハ１００の表面付近に導入されてGaNの結晶成長に利用されるため、未反応のまま排出される原料ガスの量を少なく抑えることができる。

また、各反応空間１０中の各サセプタ４に１枚のウエハ１００を配置してGaNの結晶成長を行わせた。各反応空間１０に配置されたウエハ１００はサセプタ保持台３の下部に配置された１個の抵抗発熱体５によって加熱される。従って、全てのウエハ１００を一定に温度制御することができる。

さらに、原料ガスをマスフローコントローラ１４、１８及び分岐導入管１３，１７を介して各反応空間１０に導入するようにしたため、各反応空間１０に対する原料ガスの供給量が均一になるようにするための調節を容易に行うことができる。

図４は本発明の実施例２に係るMOCVD装置の反応容器周辺部分を示す概略図である。実施例２のMOCVD装置は、隔離部材９の凹部９ａが円筒状である点、及び凹部９ａにシャワープレート１９が設けられている点が実施例２と異なる。従って、本実施例では反応空間１０は円筒状となる。円筒状の反応空間１０は、円錐台状の反応空間１０に比べると容積が大きいが、本実施例では反応空間１０の上部にシャワープレート１９が位置するため、その分、反応空間１０の容積は小さくなる。

図５に示すように、シャワープレート１９の下部には、分岐導入管１３の開口部１３ａと分岐導入管１７の開口部１７ａが全体にわたって交互に配置されている。このような構成により、有機金属ガスと窒素含有ガスは反応空間１０全体に分散して導入される。従って、ウエハ１００の上面全体にわたって均一に成膜することができる。また、シャワープレート１９を設けたことにより、ウエハ１００の上面近くに有機金属ガスと窒素含有ガスを供給することができ、ウエハ１００以外の場所でのパーティクルの発生を抑えることができる。

図６及び図７は、シャワープレート１９の他の構造の例を示す。図６では、開口部１３ａが、下方に向かって（ウエハ１００側に向かって）拡開するテーパ状に形成されている。また、図７では、開口部１３ａのテーパ面が球面状に形成されている。このような構成により、各ガスが開口部１３ａ、１７ａ付近で滞留することなく反応空間１０に導入するので開口部１３ａ、１７ａ付近でパーティクルが発生し難くなる。
なお、図６及び図７では金属含有ガスの開口部１３ａをテーパ状に形成したが、窒素含有ガスの開口部１７ａをテーパ状に形成してもよい。

図８及び図９は本発明の実施例３に係るMOCVD装置の反応容器周辺部分の概略図である。実施例３では、下部反応容器２ａに上述の隔離部材９が載置されている。即ち、下部反応容器２ａにはサセプタ４を載置するサセプタ保持台３が複数形成されており、各サセプタ保持台３には発熱抵抗体５が配置されている。隔離部材９はサセプタ保持台３の位置に対応した凹部４１が形成されており、下部反応容器２ａの上部開口を蓋２ｂで塞いだとき当該蓋２ｂの下面は下部反応容器２ａの上面および隔離部材９の上面に当接する。

実施例３では、凹部４１の内周面と蓋２ｂの下面との間が反応空間１０となる。本実施例の反応空間１０は円筒状であり、実施例１や実施例２の反応空間１０に比べると容積は大きいが、原料ガスが導入される空間がサセプタ４上方の空間に限定されるという点では、従来のMOCVD装置に比べて反応空間の容積が小さいといえる。

凹部４１内に配置されたサセプタ４の外周面と凹部４１の内周面とは離間しており、この空間と、凹部４１の底部に形成された複数の通気孔とが排気路４２を構成する。結晶成長後、反応空間１０に残った原料ガスは排気路４２から反応容器１の外部に排出される。

凹部４１内に配置されたサセプタ４は上下可動機構（図示せず）を備えることが好ましい。すなわち、蓋２ｂを上昇させた後にサセプタ４を上昇させ、反応容器１に隣接するロードロック室３０に設けられたロボットアーム３１でウエハ１００と共にサセプタ４を順次保持し反応容器１から出し入れさせる。あるいは、蓋２ｂを上昇させた後に隔離部材９を下部反応容器２ａから離接させ、反応容器１に隣接するロードロック室３０に設けられたロボットアーム３１でウエハ１００と共にサセプタ４を順次保持し反応容器１から出し入れさせる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。
サセプタ保持台３は円板状に限らず、図１０に示すような矩形板状でも良い。また、結晶成長後のガスを均一に排気するために適宜所望の位置に通気孔４３を設けることが好ましい。

さらに、図１１に示すように、反応空間１０の上部にシャワーノズル４５を設けても良い。図１１に示した構成によれば、分岐導入管１３，１７からの原料ガスを反応空間１０全体に均一に導入することができる。
上記実施例では、１個のサセプタに１枚のウエハを載置し、各反応空間に１枚のウエハが配置されるようにしたが、１個のサセプタに複数枚のウエハを載置し、各反応空間に複数枚のウエハが配置されるようにしても良い。

上記実施例では、原料ガスがウエハの表面に対してほぼ垂直に導入されることとしたが、ウエハの表面に対して多少傾いた状態で導入されても良い。
各サセプタの下部に抵抗発熱体を設けても良い。この場合は、全ての抵抗発熱体の温度が一定に成るように温度制御する必要があるが、反応容器内の一部のサセプタの上にウエハを載置して処理する場合に、ウエハが載置されていないサセプタを無駄に加熱しなくても済む。

隔離部材は、サセプタの上方の空間にのみ原料ガスが導入されるように、つまり、サセプタ上方の原料ガスが導入される部分（反応空間）の容積が小さくなるように反応容器内を小さい区画に分けることができれば、どのような形状の隔離部材でも良い。

１…反応容器
２ａ…下部反応容器
２ｂ…蓋
３…サセプタ保持台
４…サセプタ
５…抵抗発熱体
９…隔離部材
９ａ…凹部
９ｂ…通気部
１０…反応空間
１１…第１ガス導入部
１２…主導入管
１３…分岐導入管
１３ａ…開口部
１５…第２ガス導入部
１６…主導入管
１７…分岐導入管
１９…シャワープレート
２０…排気路
２１…排気路
４５…シャワーノズル
１００…ウエハ

Claims (6)

1. a)上面にウエハが載置されるサセプタを複数収容する反応容器、
   b)前記複数のサセプタを互いに隔離する隔離部材、
   c)前記隔離部材で隔離された各サセプタの上方から原料ガスを導入するガス導入部
   を備えることを特徴とする有機金属気相成長装置。
2. 前記隔離部材は、各サセプタを取り囲むように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機金属気相成長装置。
3. 前記サセプタを保持するサセプタ保持台を備え、
   前記反応容器が、前記サセプタ保持台を収容する下部反応容器と当該下部反応容器の上部開口を開閉する蓋部材とからなり、
   前記隔離部材が前記蓋部材に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機金属気相成長装置。
4. 前記反応容器が、複数のサセプタを収容する下部反応容器と当該下部反応容器の上部開口を開閉する蓋部材とからなり、
   前記隔離部材が下部反応容器に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機金属気相成長装置。
5. 前記反応容器内に収容された全てのサセプタを保持するサセプタ保持台と、
   前記サセプタ保持台を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機金属気相成長装置。
6. 前記反応容器内のガスを排出する排気路と、
   前記隔離部材で取り囲まれた空間と前記排気路を連通させる通気部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の有機金属気相成長装置。

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