JP2012195419A - Ｍｏｃｖｄ装置用サセプタ及びｍｏｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
サセプタの大型化を可能にし、大型化に伴うデメリットを抑制する。
【解決手段】
ＭＯＣＶＤ装置用サセプタは、良熱伝導体で形成され、内側部分と外側部分に分割されたサセプタ主部分と；良熱伝導体より高い熱伝導率を有する高熱伝導体で形成され、内側部分と外側部分の外部側壁との間の熱移動を促進する熱伝導部材であって、内側部分を包囲して配置された内側包囲部分と、外側部分の外部側壁と面一に配置された外面延在部分と、内側包囲部分と外面延在部分との間で熱移動を行う熱伝導部分と、を含む熱伝導部材と；を有する。
【選択図】 図３−１

Description

本発明は、ＭＯＣＶＤ装置用サセプタ及びＭＯＣＶＤ装置に関する。

半導体ウェハ上に化合物半導体膜を成長させる場合、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などの気相成長法が用いられる。ＭＯＣＶＤ法を用いて化合物半導体膜を成長させる場合、所定温度に加熱した成長基板上に、原料ガスを流し、分解、反応を生じさせ、成長基板上に化合物半導体エピタキシャル膜を成長させる。成長基板の加熱は、通常、成長基板を載置したサセプタを、その周囲に配置した、抵抗加熱ヒータやＲＦコイル等の加熱手段で加熱することによって行われる。

加熱温度の面内均一性向上のため、サセプタは通常回転軸の周りに回転される。サセプタを回転させる場合、加熱手段はサセプタの外部に配置し、サセプタは電気部品を含まない構造とすることが多い。加熱手段は、サセプタの下方に配置される場合（例えば特許２６２８４０４号）も、サセプタの側面周囲に配置される場合（例えば特開２０１０-８０６１４号）もある。

図１を参照する。基板１０１として、通常サファイアのＣ面を使用する。サファイヤ基板１０１をカーボンサセプタ１０４の上に載せる。Ｈ_２を流しながら、高周波誘導加熱によるヒータ１０７によりカーボンサセプタ１０４を９５０℃〜１１５０℃まで高温に加熱する。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ源としてアンモニア（ＮＨ_３）を、Ｈ_２をキャリアとして、反応ガス噴射管１０２から基板１０１表面に噴射する。これらの反応ガスは、内径が約５ｍｍφ〜１０ｍｍφの細い反応ガス噴射管１０２でもって、基板１０１上部のすぐ近くに噴射される。反応ガスの流速は、２ｍ/ｓｅｃ以上の高速流として、基板に吹き付けられる。このようにして成長時間３０分〜６０分間で約２〜５μｍ位のＧａＮ層をサファィア基板の上に成長できる。

図２を参照する。ＭＯＣＶＤ装置は、成長基板１１０を保持する基板ホルダ１００と、原料ガスを成長基板１１０上に効率よく導くためのフローチャネル１２０と、カーボン等のサセプタ１３０と、サセプタ１３０を加熱するＲＦコイル１４０とを備えている。フローチャネル１２０は、石英ガラス等から構成され、ガス供給口とガス排気口との途中に開口部１２１が形成されている。開口部１２１は、基板ホルダ１００の上面をフローチャネル１２０の内部に露出させる機能を有している。基板ホルダ１００上に成長基板１１０が載置され、開口部１２１に面するように保持される。

光半導体素子用エピタキシャル層の成長は、原料ガスの供給量、供給比、成長温度等によって、組成（発光波長）、膜厚等が変化する。従って、成長基板の温度が場所的に変化すると、エピタキシャル成長層の組成、膜厚が場所的に変化してしまい、ウエハ面内で層構成の異なる光半導体素子が形成されてしまう。歩留まりが低下する。

例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた青色発光ダイオードは、ＩｎＧａＮで活性層を構成する場合が多い。ＩｎＧａＮのＩｎ組成は温度の影響を受けやすい。成長温度が1℃変化するだけで、Ｉｎ組成の変化により発光波長が１ｎｍ〜３ｎｍ変化する場合が多い。ＩｎＧａＮ層の成長は、例えば６００℃〜８００℃で行われる。発光波長の分布は、５ｎｍ以内に収めることが望まれる。従って、要求される温度均一性は厳しい。

従来、光化合物半導体層成長用の成長基板の寸法は２インチのものが多かった。大量生産のため、基板の大型化が要求されている。基板が大型化できれば、１枚の基板上に形成できる光半導体素子の数も増加し、生産コストを下げることも可能となる。基板を大型化すると、当然サセプタも大きくなる。従来の２インチ用サセプタで満足できるエピタキシャル成長が行えていた場合でも、基板を３インチ、４インチと大型化した時には、サセプタは単に大型化すればよいわけではない。

単純に考えても、従来直径２インチの面積で実現した温度均一性を、４倍の面積となる、直径４インチの面積で実現することが望まれ、より厳しい要求になる。さらに、昇温、降温は、サセプタを外部から加熱し、外部へ放熱することによって行われる。サセプタの体積が大きくなれば、昇温、降温に要する時間も長くなるであろう。効率的なＭＯＣＶＤの結晶成長をより広い面積で行うために、成長基板面内の温度均一性の向上、昇温、降温工程の迅速化が望まれる。

特許第２６２８４０４号公報、 特開２０１０-８０６１４号公報。

サセプタの大型化を可能にし、大型化に伴うデメリットを抑制する。

実施例によれば、
良熱伝導体で形成され、内側部分と外側部分に分割されたサセプタ主部分と、
前記良熱伝導体より高い熱伝導率を有する高熱伝導体で形成され、前記内側部分と前記外側部分の外部側壁との間の熱移動を促進する熱伝導部材であって、
前記内側部分を包囲して配置された内側包囲部分と、
前記外側部分の外部側壁と面一に配置された外面延在部分と、
前記内側包囲部分と前記外面延在部分との間で熱移動を行う熱伝導部分と、
を含む熱伝導部材と、
を有するＭＯＣＶＤ装置用サセプタ
が提供される。

内側部分と外側部分の外部側壁との間に外側部分より熱伝導率の高い熱伝導部材が配置され、熱の移動が促進される。

従来技術のＭＯＣＶＤ装置の１つの例を示す断面図である。 従来技術のＭＯＣＶＤ装置の他の例を示す断面図である。 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第１の実施例によるサセプタの構造を示す断面図、平面図、断面図である。 図３Ｄ，３Ｅは変形例を示す断面図である。 図４は、サセプタの周囲にヒータを配置した状態を示す斜視図である。 図５Ａ，５Ｂは、第２の実施例によるサセプタの構成を示す断面図である。 図６は、他の構成を示すサセプタの平面図である。 図７は、ＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。

従来のサセプタは、通常、最表面をコーティングする場合は別として、カーボン（グラファイト）等の無垢材から形成した。カーボン（グラファイト）は、良好な熱伝導率を有する良熱伝導体であり、化合物半導体との反応性も低く、抵抗加熱や誘導加熱により（酸素を含まない、真空中又は不活性雰囲気中での）高温加熱も可能であり、サセプタとして好適な材料である。但し、２インチウエハ用サセプタの寸法を単純に増大して大型化すれば、熱の移動に要する時間は長くなり、一端を加熱又は放熱する場合の温度分布は大きくなると考えられる。面内温度差が増大し、エピタキシャル層の組成の面内分布が増大してしまうことも予想される。

本発明者は、サセプタを大型化し、且つ面内温度分布を所定範囲内に収めるため、大型化したサセプタにおける、熱の移動を促進することを考えた。サセプタの主要部は、従来同様、グラファイトなどの良熱伝導体で形成することとする。良熱伝導体中に、熱伝導率が極めて高い材料を分布させ、熱の高速移動を図る。

グラファイトが約１２０−１６５（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率を有するのに対し、ダイヤモンドは約１０００−２０００（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率を有し、キュービックボロンナイトライド（ｃＢＮ）もダイアモンドと同程度の熱伝導率を有することが期待される。これらの材料は、無垢材からの加工は容易でないが、粒状材、ないし粉末材が入手可能であり、必要に応じてセラミックス材料と混合した複合材料として、種々の形状に加工することができる。これら、グラファイトと比較して、少なくとも４倍以上の高い熱伝導率を有する材料を、本明細書では高熱伝導体と呼ぶ。

図３Ａに示すように、良熱伝導体であるグラファイトのサセプタ１０を、内側部分４と外側部分６とに分割する。高熱伝導体で伝熱部材５を形成し、外側部分６外壁から内側部分４に熱を伝達する。なお、サセプタ１０上面にはグラファイト製の基板ホルダ１００が配置される。

図３Ｂに示すように、伝熱部材５は、内側部分４を包囲する内側包囲部分５１と、外側部分６の外側表面と面一に広がる外面延在部分５３と、内側包囲部分５１と外面延在部分とを熱的に連結する熱伝導部分５２を含み、高熱伝導体で形成される。図３Ａは、図３ＢにおけるＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿う断面である。ＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線に沿う断面を図３Ｃに示す。高熱伝導体を含む構成は、良熱伝導体の一部を高熱伝導体に置換したと考えることもできよう。良熱伝導体を高熱伝導体で置換すれば、その部分の熱抵抗は低減し、熱移動が促進される。外面延在部分５３が加熱されれば、その熱は熱伝導部分５２を介して内側包囲部分５１に速やかに伝達され、内側部分４を加熱する。

全体を良熱伝導体で形成した場合と較べ、一部を高熱伝導体に置換すると、全体としての熱伝導度を向上することができる。高熱伝導体を適所に配置することにより、サセプタ全体を均一性良く、高速に加熱（放熱）することが可能となる。図３Ａ−３Ｃの構成では内側部分４はグラファイトなどの良熱伝導体であり、例えば、その寸法も従来のサセプタと同等である。高熱伝導体の内側包囲部分５１が、内側部分４を包囲して加熱することにより、従来のサセプタ同様の加熱（放熱）が可能と期待される。外面延在部分５３と熱伝導部分５２は、内側部分４と外側部分６とがほぼ同時に所定温度まで加熱（放熱）できるように設計する。

図４に示すように、サセプタ１０の周囲に抵抗加熱ヒータ８が配置される。ダイヤモンドやｃＢＮは、高周波コイルによる加熱には適していないと考えられるので、カーボンなどの抵抗加熱ヒータを用いる。なお、カーボンヒータのパターンとしては公知の種々のパターンを採用できる。抵抗加熱ヒータ８をサセプタ１０の側面周囲に配置して、サセプタ全体を加熱することになる。サセプタ１０を回転することにより、温度分布を均一化できる。熱は、サセプタ１０の外側側面から内部に向かうことになる。

昇温時には、熱伝導部材５は、サセプタ１０の外側側面に配置された外面延在部分５３で熱を受け、熱伝導部分５２中を（外側部分６よりも優先的に）熱を移動させ、内側部分４を包囲する内側包囲部分５１をより迅速に均一温度にする。外面延在部分５３の配置は、外側部分６の加熱と内側部分４の加熱が同等に進むようにすることが望ましい。例えば、外側部分６と内側部分４の体積を考慮して、外側側壁に露出される、外側部分６の面積と、外面延在部分５３の面積を設定する。例えば、外側側壁に露出される、外側部分６の面積と、外側延在部分５３の面積の比が外側部分６の体積と内側部分４の体積の比と同一になるように設計する。これにより外側部分６と内側部分４の単位体積単位時間当たりに流入する熱量がほぼ同一となり、サセプタの表面温度及び昇温・降温速度が面内で均一に分布しやすくなる。内側包囲部分５１からの加熱により内側部分４が加熱されるのは、従来技術のサセプタと同様となろう。降温時には、熱の移動方向が逆になる。

図３Ａ−３Ｃの構成では、外側部分６に、板状の熱伝導部分５２を収容する、４つのスリットが半径方向に形成され、外側部分６は４つの均等部分に分割された。熱伝導部分５２は、外面延在部分５３と内側包囲部分５１との間の熱移動を効率的に行えれば良く、その形状などに特に制限はない。但し、半径方向に熱伝導部材を配置しても、外側部分６は円柱方向に関して高い対称性（例えば４回対称）を持つことが、温度分布の均一化の点から望ましいであろう。

図３Ｄは、熱伝導部分５２がサセプタ１０の高さ分連続した板状ではなく、高さ方向で複数の部分に分割した形状である場合を示す。紙面垂直方向の熱伝導部分５２の断面形状は種々可能であり、例えば矩形である。熱伝導部分５２と外側部分６とが等間隔で配置されている場合を示したが、これに限らない。

サセプタの上面にも、高熱伝導体の熱伝導部分５が露出する場合を示したが、サセプタ１０の上面に直接成長基板を配置するような場合、サセプタ上面の熱的性質は均一である方が好ましい。

図３Ｅは、サセプタ１０の上面にグラファイトなどの良熱伝導帯のキャップ層１１を配置した場合を示す。キャップ層１１の上に基板ホルダ１００を配置しても良い。

内側部分４、外側部分６は、従来から用いてきた信頼性のある良熱伝導体で形成する。熱伝導部材５は高熱伝導体で形成するため、良熱伝導体より高い熱伝導率を有する。高熱伝導体の熱伝導部材を配置したことにより、全体が良熱伝導体で形成された場合より、熱の移動を促進できる。

これまで説明した構成では、熱伝導部材５から外側部分６にも熱が伝達される。外側部分６は外側側面がヒータ８に対向し、直接熱を受け、発散することもできる。内側部分４をより効率的に昇温、降温するためには、熱伝導部材５と外側部材６との間の熱の移動は抑制する方が好ましいこともあろう。

図５Ａ，５Ｂは、第２の実施例によるサセプタを示す断面図である。図５Ａに示すように、熱伝導部材５と外側部分６との境界に、断熱部材９を配置する。断熱部材９は、アルミナ、窒化アルミニウム、多孔性セラミックスや、ガラスウール等良熱伝導体より低い熱伝導率を有する材料で形成することができる。単なる空間を形成しても、固相部材より熱伝導率は低くできる。位置的な信頼性を強化するため、突起などにより接点を形成し、必要な物理的支持力を与えることもできる。

図５Ｂは、断面の厚さが段階的に変化する熱伝導部材５と外側部分６との界面に断熱部材９を配置した形状を示す。熱伝導部材５の熱伝導部分５２は、断面厚さが厚い部分を周期的に配置して、外側部分６表面の温度分布を均一に保ちつつ、熱伝導部材５全体としての熱伝導率を促進している。断熱部材９が熱伝導部材５から外側部分６への熱の移動を抑制している。

ここまで、内側部分を１つの外側部分が一重に包む形態を説明した。外側部分が複数存在する形態も可能である。

図６において、サセプタの内側部分４は、第１の外側部分６-１、第２の外側部分６-２に囲まれている。内側部分４と第１の外側部分６-１の間に第１の内側包囲部分５-１、第１の外側部分６-１と第２の外側部分６−２の間に第２の内側包囲部分５-２、第２の外側部分の外側側壁上に配置された外面延在部分５３が配置されている。第１の内側包囲部分５-１、第２の内側包囲部分５-２、外面延在部分５３間の熱的接続は、構成を考慮して適宜行う。

図７は、ＭＯＣＶＤ装置としての構成を示す。サセプタ１０は以上説明した、いずれかのサセプタである。サセプタ１０の上面に基板ホルダ１００が載置され、成長基板１１０を支持する。基板ホルダ１００は、石英製フローチャネル２０の開口に露出される。フローチャネル２０には、Ｎ_２，Ｈ_２等のキャリアガスとトリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＮＨ_３等のソースガス、ＳｉＨ_４，Ｃｐ_２Ｍｇ等の不純物ガスが流される。サセプタ１０の周囲にはカーボンヒータ８が配置され、サセプタ１０を所望温度まで加熱する。なお、ヒータ８の周囲にはガード３０が配置されている。

以上実施例に沿って、本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、種々の、変形、置換、組み合わせ、改良などが可能なことは当業者に自明であろう。

４ 内側部分、
５ 熱伝導部材、
５１ 内側包囲部分、
５２ 熱伝導部分、
５３ 外面延在部分、
６ 外側部分、
８ ヒータ、
９ 断熱部材、
１０ サセプタ、
２０ フローチャネル、
１０１ 基板、
１０２ 反応ガス噴射管、
１０４ カーボンサセプタ、
１１０ 成長基板、
１００ 基板ホルダ、
１２０ フローチャネル、
１３０ サセプタ、
１４０ ＲＦコイル、

Claims (7)

1. 良熱伝導体で形成され、内側部分と外側部分に分割されたサセプタ主部分と、
   前記良熱伝導体より高い熱伝導率を有する高熱伝導体で形成され、前記内側部分と前記外側部分の外部側壁との間の熱移動を促進する熱伝導部材であって、
   前記内側部分を包囲して配置された内側包囲部分と、
   前記外側部分の外部側壁と面一に配置された外面延在部分と、
   前記内側包囲部分と前記外面延在部分との間で熱移動を行う熱伝導部分と、
   を含む熱伝導部材と、
   を有するＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
2. 前記内側部分は円柱形状を有し、前記外側部分は円筒形状を有し、前記内側包囲部分は前記内側部分の側壁を包囲する円筒形状を有し、前記外面延在部分は前記外側部分の外側側壁の周期的領域を覆う、請求項１記載のＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
3. 前記熱伝導部分は、前記外側部分を同一形状の複数部分に分割する、請求項１又は２記載のＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
4. 前記熱伝導部分は、前記外側部分を同一形状の複数部分に分割する板状部材である、請求項１又は２記載のＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
5. 前記熱伝導部材と前記外側部分との界面に配置され、前記良熱伝導体より熱伝導率の低い断熱部材をさらに有する請求項１〜４のいずれか１項記載のＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
6. 前記良熱伝導体がグラファイトであり、前記高熱伝導体がダイヤモンド、キュービックボロンナイトライドのいずれかを含む、請求項１〜５のいずれか１項記載のＭＯＣＶＤ装置用サセプタ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載のサセプタと、
   前記サセプタの周囲に配置された抵抗加熱ヒータと、
   前記サセプタ上方に開口を有するフローチャネルと、
   を有するＭＯＣＶＤ装置。

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