JP2013118226A - 化合物半導体気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大形化を招くことなくサセプタを均一に加熱することができる化合物半導体気相成長装置を提供する。
【解決手段】本発明は、基板を保持するためのサセプタ３１と、前記サセプタ３１を加熱することにより該サセプタ３１に保持された前記基板４を加熱する加熱部５とを備え、前記基板４を加熱した状態で成膜ガスを導入することにより前記基板４に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置であって、前記加熱部５が、前記サセプタ３１を複数に分割してなる各分割領域をそれぞれ加熱するための複数の発熱部材５１と、各発熱部材５１の両端に設けられた電極取付部と、前記電極取付部に接続された、前記発熱部材５１に電流を導入するための電流導入端子５３とを備え、複数の発熱体のうち少なくとも一つに設けられた電極取付部のうちの一方が他の発熱体の電極取付部のうちの一方と共通であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を加熱した状態で成膜ガスを供給することにより該基板に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置に関する。

基板上に化合物半導体膜を形成する方法の一つであるMOCVD法（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）は、基板を加熱した状態で成膜ガスを該基板上に供給することにより原料の膜を該基板上に形成する。そのため、MOCVD法を実行するためのMOCVD装置では、サセプタと呼ばれる基板保持台の下に加熱部を設け、該加熱部によりサセプタ上の基板を加熱するようにしている。

基板上に均一な厚さの膜を形成するためには、基板の温度分布が均一になるようにサセプタの加熱を制御する必要がある。しかし、サセプタの下から均一に該サセプタを加熱したとしても、サセプタの内部よりも外周部の方が放熱し易いため、外周部の温度が低くなり、均一な温度分布が得られない。そこで、従来のMOCVD装置では、サセプタを内外方向（径方向）にゾーン分割し、ゾーン毎に個別のヒータで加熱制御するようにしていた（特許文献１参照）。

特開平10-326788号公報

ところで、MOCVD装置のヒータには、通常、カーボンなどの導体から成る発熱体が用いられる。発熱体の両端にはそれぞれ電極取付部が設けられ、該電極取付部に金属製のボルト等を介して接続された電流導入端子を通してこれら一対の電極取付部に電流が導入されることにより該発熱体が発熱する。従って、サセプタを内部と外周部の２ゾーンに分割し、各ゾーンを別々の発熱体で加熱する場合には、発熱体の数の２倍の４個の電極取付部と４個の電流導入端子がそれぞれ必要となる。

ところが、電極取付部には金属製のボルト等が挿通されているため、発熱体の熱が該電極取付部及びボルトから外部に放出され易い。従って、サセプタを均一に加熱するためにヒータを分割すると、その分、電極取付部の数が増え、サセプタの加熱効率が低下するという欠点がある。また、電極取付部の数が増えると、該電極取付部に接続される電流導入端子の数も増え、電流導入端子の設置スペースを確保するために装置が大形化するという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、加熱効率の低下や装置の大形化を招くことなくサセプタを均一に加熱することができる化合物半導体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化合物半導体気相成長装置は、
基板を保持するサセプタと、前記サセプタを加熱することにより該サセプタに保持された前記基板を加熱する加熱部とを備え、前記基板を加熱した状態で成膜ガスを供給することにより前記基板に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置であって、
前記加熱部が、
前記サセプタを複数に分割して成る各分割領域をそれぞれ加熱するための複数の発熱体と、
各発熱体の両端に設けられた電極取付部と、
各電極取付部に接続された、前記発熱体に電流を導入するための電流導入端子と
を備え、
複数の発熱体のうち少なくとも一つに設けられた電極取付部のうちの一方が他の発熱体の電極取付部のうちの一方と共通であることを特徴とする。
ここで、「共通である」とは、一の発熱体の電極取付部の内の一方と他の発熱体の電極取付部のうちの一方が同じものであること、言い換えると、一つの発熱体の電極取付部が他の発熱体の電極取付部を兼ねていることを意味する。

この場合、複数の発熱体を１個の発熱部材から構成し、
前記電極取付部を、前記発熱部材を前記各分割領域に対応する前記複数の発熱体に分割する位置に設けると共に、隣接する２個の発熱体の境界部に設けられた前記電極取付部が、該２個の発熱体の共通の電極取付部として機能するように構成すると良い。

また、本発明に係る化合物半導体気相成長装置では、前記発熱体が、前記サセプタの内側領域を加熱する内側発熱体及び外周側領域を加熱する外周側発熱体から構成されていることが望ましく、前記電極取付部が、前記内側発熱体の一方の端部と前記外周側発熱体の一方の端部の間に設けられた１個の共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部とから構成されていることが望ましい。

さらに、本発明の化合物半導体気相成長装置では、前記発熱体が、前記サセプタの内側領域、外周側領域及びこれら領域の間の中間領域をそれぞれ加熱する内側発熱体、外周側発熱体及び中間発熱体から構成されていることが望ましく、前記電極取付部が、前記外周側発熱体の一方の端部と前記中間発熱体の一方の端部の間に設けられた第１共通電極取付部と、前記中間発熱体の他方の端部と前記内側発熱体の一方の端部の間に設けられた第２共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部とから構成されていることが望ましい。

また、サセプタを内外方向に領域分割して各領域を個別の発熱体で加熱する構成においては、外周側発熱体を、その他の発熱体よりもサセプタに近づけることが望ましい。サセプタの外周側領域は放熱し易いため、サセプタ全体の温度を均一にするためには外周側発熱体への投入電力をその他の発熱体よりも大きくする必要があるが、外周側発熱体をその他の発熱体よりもサセプタに近づけることにより、該外周側発熱体への投入電力を抑えることができる。

さらに、本発明に係る化合物半導体気相成長装置は、反応容器内に配置された、基板を保持するためのサセプタと、前記サセプタを介して前記基板を加熱する加熱部とを備え、前記基板を加熱した状態で前記反応容器内に成膜ガスを導入することにより前記基板に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置であって、
前記加熱部が、
前記サセプタの内側領域、外周側領域及びこれら領域の間の中間領域をそれぞれ加熱する内側発熱体、外周側発熱体及び中間発熱体と、
前記外周側発熱体の一方の端部と前記中間発熱体の一方の端部の間に設けられた第１共通電極取付部と、前記中間発熱体の他方の端部と前記内側発熱体の一方の端部の間に設けられた第２共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部と、
前記第１共通電極取付部、前記第２共通電極取付部、及び前記端部電極取付部のいずれか１個にそれぞれ接続された３個の電流導入端子と、
前記端部電極取付部の他の１個に取り付けられたグラウンド端子とから構成されていることを特徴とする。

本発明に係る化合物半導体気相成長装置によれば、サセプタの温度分布を均一にするために、サセプタを分割して各分割領域を個別の発熱体で加熱する構成において、各発熱体に設ける電極取付部の一部を共通化したため、該電極取付部の数を少なく抑えることができる。従って、加熱効率の低下や装置の大形化を招くことなく、サセプタを均一に加熱することができる。

本発明の第１実施例に係るMOCVD装置の全体構成を示す概略図。 発熱体の平面図。 発熱体の電極取付部付近を示す断面図（ａ）、平面図（ｂ）。 加熱部の概略的な電気回路図。 本発明の第２実施例に係るMOCVD装置が備える発熱体の平面図。 本発明の第３実施例に係るMOCVD装置の加熱部の概略的な電気回路図。 本発明の第４実施例に係るMOCVD装置の加熱部の概略的な電気回路図。 本発明の第５実施例に係るMOCVD装置の発熱体の共通電極取付部付近を示す図。 本発明の第６実施例に係るMOCVD装置の発熱体の交通電極取付部付近を示す図。

以下、本発明をMOCVD装置に適用したいくつかの実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例に係るMOCVD装置を示している。図１に示すように、本実施例に係るMOCVD装置は、反応容器１内の内部に反応室１１と該反応室１１に成膜ガスを導入するためのたガス導入路１３を備えている。ガス導入路１３は、第１ガス導入路１３ａと第２ガス導入路１３ｂから構成されている。各ガス導入路１３ａ及び１３ｂは、ガス導入口１４ａと反応室１１の上部に開口する多数のガス放出口１４ｂとを繋ぐ分岐流路から構成されており、該ガス放出口１４ｂから成膜ガスをシャワー状に放出するようになっている。反応室１１内に導入された成膜ガスは、反応室１１の下部に設けられた排気口１５から排出される。

また、反応室１１内には、回転自在な基台３の上面に円板状のサセプタ３１が載置され、該サセプタ３１の上に基板４が載置されている。サセプタ３１の下の基台３の内部には該サセプタ３１を加熱するための加熱部５が配置されている。図１〜図３に示すように、加熱部５は、全体が炭化ケイ素（ＳｉＣ）で被覆されたグラファイトカーボンから成る発熱部材５１と、これを保持する保持板５２、該発熱部材５１に電流を導入するための電流導入端子５３とから構成されている。発熱部材５１は、サセプタ３１の外周部から中心部まで反時計回りに円弧を描き、中心部で折り返されて時計回りに円弧を描くことにより同心円状を成すように形成された一体物からなり、その両端部及び途中部にはそれぞれ電極取付部５４が設けられている。

電極取付部５４は、発熱部材５１に一体的に形成された円筒状部から成る。発熱部材５１のうち電極取付部５４の上面は他の部分よりも電気抵抗が小さくなるようにＳｉＣの被覆が除去されている。以下の説明では、発熱部材５１の途中部に設けられた電極取付部を共通電極取付部５４１、発熱部材５１の最外周側の端部に設けられた電極取付部を外周側電極取付部５４２、発熱部材５１の内側端部に設けられた電極取付部を内側電極取付部５４３と呼ぶこととする。また、発熱部材５１のうち内側電極取付部５４３から共通電極取付部５４１までの部分を内側ヒータＨ１、外周側電極取付部５４２から共通電極取付部５４１までの部分を外周側ヒータＨ２と呼ぶこととする。なお、これらヒータＨ１及びヒータＨ２が本発明の「発熱体」に相当する。

なお、内側電極取付部５４３、共通電極取付部５４１及び外周側電極取付部５４２のいずれか二つ以上の電極取付部が同じ円周上に位置しないことが好ましい。これは次の理由による。電極取付部５４は図示しない水路により冷却されているため、発熱部材５１の他の部位に比べて電極取付部５４の付近の発熱部材５１の温度が低くなる傾向がある。従って、二つ以上の電極取付部５４が同じ円周上に位置すると、その円周上の温度が他の部位よりも低くなるため、サセプタ３１上に載置した基板４に化合物を成長させたときに、電極取付部５４の位置を反映した同心円状の膜厚分布が生じる傾向があるからである。

図４は加熱部５の電気回路を示している。この図４に示すように、外周側電極取付部５４２は外周側ヒータＨ２の一方の端部に位置し、内周側電極取付部５４３は内側ヒータＨ１の一方の端部に位置する。また、共通電極取付部５４１は、外周側ヒータＨ２の他方の端部と内側ヒータＨ１の他方の端部に位置し、１個の電極取付部が外周側ヒータＨ２及び内側ヒータＨ１の電極取付部を兼ねる。

また、これら３個の電極取付部５４１〜５４３にはそれぞれ電流導入端子５３１〜５３３が接続されている。電流導入端子５３１と電流導入端子５３２の間にはトランス５５の２次巻線５５１が接続されている。また、電流導入端子５３１と電流導入端子５３３の間にはそれぞれトランス５６の２次巻線５６１が接続されている。トランス５５の１次巻線５５２及びトランス５６の１次巻線５６２には、サイリスタSCR1及びSCR2を介して交流電源５７からの交流電源電圧が供給されるようになっている。
このように、本実施例では、１個の発熱部材５１の両端及び途中部に電極取付部を設けることにより、１個の発熱部材５１を見かけ上２個の発熱体に分割し、それぞれの発熱体に独立的に交流電源電圧を供給することによってサセプタ３１の内側領域と外周側領域をそれぞれ加熱制御するようにしている。

このような加熱部５において、３個の電流導入端子５３１〜５３３に流れる電流をそれぞれＩ１、Ｉ２、Ｉ３とすると、共通電流取付部５４１に接続された電流導入端子５３１に流れる電流Ｉ１は、電流Ｉ２と電流Ｉ３の差の値と略等しくなり、電流Ｉ２及び電流Ｉ３よりも小さくなる。そのため、電流導入端子５３１には他の電流導入端子５３２及び電流導入端子５３３よりも許容電流が小さい、細い導体を用いることができ、経済的である。また、本実施例では、外周側ヒータＨ２の他方の端部と内側ヒータＨ１の他方の端部に設けられる電極取付部を共通化したため、電極取付部の数を少なく抑えることができ、ヒータＨ１及びヒータＨ２の加熱効率の低下や加熱部５の大形化を招くことがなく、サセプタ３１を効率よく且つ均一に加熱することができる。

図５は本発明の第２実施例に係るMOCVD装置の加熱部５を構成する発熱部材５１を示す平面図である。本実施例の発熱部材５１は、上述の第１実施例とは形状が異なるが、第１実施例と同様に内側ヒータＨ１と外周側ヒータＨ２とから構成されている。このような構成によれば、第１実施例と同様の作用効果に加えて、次の作用効果が得られる。
第１実施例では同心円状の発熱部材５１が用いられているため、サセプタ３１の裏面は同心円状に加熱される。この場合、サセプタ３１上に載置された基板４に化合物を成長させると、サセプタ３１の素材や厚さによっては、サセプタ３１の裏面から表面に熱が充分に拡散して伝わらず、この結果、発熱部材５１の形状を反映した同心円状の膜厚分布が生じる場合がある。これに対して、第２実施例に係る発熱部材５１では同心円状の膜厚分布が生じる可能性が小さく、特に、サセプタ３１上の基板４の位置を内側ヒータＨ１の上にすることにより同心円状の膜厚分布が生じることがない。

図６は本発明の第３実施例に係るMOCVD装置の加熱部５の電気回路を示している。第３実施例は、サセプタ３１を内側部、中間部、外周側部の３領域に分割し、これら３領域をそれぞれ内側ヒータＨ１、中間ヒータＨ３、外周側ヒータＨ２で加熱制御した点に特徴を有する。内側ヒータＨ１、中間ヒータＨ３、外周側ヒータＨ２は一体物の発熱体から成り、内側ヒータＨ１と中間ヒータＨ３の間、中間ヒータＨ３と外周側ヒータＨ２の間にはそれぞれ第１共通電極取付部１０１、第２共通電極取付部１０２が設けられている。

これら第１共通電極取付部１０１及び第２電極取付部１０２、並びに外周側電極取付部５４２及び内側電極取付部５４３には、それぞれ電流導入端子１１１及び１１２、並びに電流導入端子５３２及び５３３が接続されている。

このように本実施例では、内側ヒータＨ１の一方の端部と中間ヒータＨ３の一方の端部に設けられる電極取付部を共通化し、外周側ヒータＨ２の一方の端部と中間ヒータＨ３の他方の端部に設けられる電極取付部を共通化した。このため、内側ヒータＨ１の一方の端部と中間ヒータＨ３の一方の端部、外周側ヒータＨ２の一方の端部と中間ヒータＨ３の他方の端部にそれぞれ電極取付部を設ける構成よりも電極取付部及び電流導入端子の数をそれぞれ２個ずつ少なくすることができ、第１実施例と同様の作用、効果が得られる。

図７は本発明の第４実施例に係るMOCVD装置の加熱部５の電気回路を示している。この第４実施例は、内側ヒータＨ１の端部に取り付けられた内側電極取付部５４３にグラウンド端子１２０が接続されている点が第３実施例と異なる。このグラウンド端子１２０は例えば加熱部５を保持する保持基板５２及び反応容器１を介して接地されている。このような構成によれば、第３実施例のMOCVD装置と電極取付部の数は同じであるが、電流導入端子の数を少なくすることができる。

図８は本発明の第５実施例に係るMOCVD装置の加熱部５の一部を示している。この実施例では、内側ヒータＨ１及び外周側ヒータＨ２をそれぞれ別の発熱体から構成し、これら内側ヒータＨ１の一方の端部と外周側ヒータＨ２の一方の端部をワッシャ１３１を介して積層し、１個のボルト（図示せず）で連結して１個の電極取付部１３２としている。このような構成においても第１実施例と同様の作用効果が得られる。さらに、本実施例では、発熱体を分離したことにより、内側ヒータＨ１及び外周側ヒータＨ２の一方が劣化した場合に、該劣化したヒータのみを取り外して交換できるという効果が得られ、経済的である。

図９は本発明の第６実施例に係るMOCVD装置の加熱部５の一部を示している。本実施例は次の点が第５実施例と異なるのみで、その他の構成は第５実施例と略同じである。つまり、本実施例では、内側ヒータＨ１及び外周側ヒータＨ２をそれぞれ別の発熱体から構成し、更に、外周側ヒータＨ２を内側ヒータＨ１よりも上方に位置させてサセプタ３１に近づけた点に特徴を有する。

サセプタ３１の外周側領域は放熱し易いため、サセプタ３１全体の温度を均一にするためには、第５実施例のようにサセプタ３１から内側ヒータＨ１までの距離、及びサセプタ３１から外周側ヒータＨ２までの距離が同じである時は外周側ヒータＨ２への投入電力を内側ヒータＨ１よりも大きくする必要がある。これに対して、本実施例のように外周側ヒータＨ２を内側ヒータＨ１よりもサセプタ３１に近づけることにより、該外周側ヒータＨ２への投入電力を抑えることができるため、該外周側ヒータＨ２の高寿命化を図ることができる。

１…反応容器
１１…反応室
３…基板台
３１…サセプタ
４…基板
５…加熱部
５１…発熱体
５３…電流導入端子
５４…電極取付部
５４１・・・共通電極取付部
５４２・・・外周側電極取付部
５４３・・・内側電極取付部
Ｈ１…内側ヒータ
Ｈ２…外周側ヒータ
Ｈ３…中間ヒータ

Claims (6)

1. 基板を保持するためのサセプタと、前記サセプタを介して前記基板を加熱する加熱部とを備え、前記基板を加熱した状態で成膜ガスを供給することにより前記基板に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置において、
   前記加熱部が、
   前記サセプタを複数に分割して成る各分割領域をそれぞれ加熱するための複数の発熱体と、
   各発熱体の両端に設けられた電極取付部と、
   各電極取付部に接続された、前記発熱体に電流を導入するための電流導入端子と
   を備え、
   複数の発熱体のうち少なくとも一つに設けられた電極取付部のうちの一方は他の発熱体の電極取付部のうちの一方と共通であることを特徴とする化合物半導体気相成長装置。
2. 複数の発熱体が、１個の発熱部材から構成され、
   前記電極取付部が、前記発熱部材を前記各分割領域に対応する前記複数の発熱体に分割する位置に設けられ、
   隣接する２個の発熱体の境界部に設けられた前記電極取付部が、該２個の発熱体の共通の電極取付部であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体気相成長装置。
3. 前記発熱体が、前記サセプタの内側領域を加熱する内側発熱体及び外周側領域を加熱する外周側発熱体から構成され、
   前記電極取付部が、前記内側発熱体の一方の端部と前記外周側発熱体の一方の端部の間に設けられた１個の共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部とから構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体気相成長装置。
4. 前記発熱体が、前記サセプタの内側領域、外周側領域及びこれら領域の間の中間領域をそれぞれ加熱する内側発熱体、外周側発熱体及び中間発熱体から構成され、
   前記電極取付部が、前記外周側発熱体の一方の端部と前記中間発熱体の一方の端部の間に設けられた第１共通電極取付部と、前記中間発熱体の他方の端部と前記内側発熱体の一方の端部の間に設けられた第２共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部とから構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体気相成長装置。
5. 前記外周側発熱体を、その他の発熱体よりも前記サセプタに近づけることを特徴とする請求項３又は４に記載の化合物半導体気相成長装置。
6. 反応容器内に配置された、基板を保持するためのサセプタと、前記サセプタを介して前記基板を加熱する加熱部とを備え、前記基板を加熱した状態で前記反応容器内に成膜ガスを導入することにより前記基板に化合物半導体膜を形成する化合物半導体気相成長装置において、
   前記加熱部が、
   前記サセプタの内側領域、外周側領域及びこれら領域の間の中間領域をそれぞれ加熱する内側発熱体、外周側発熱体及び中間発熱体と、
   前記外周側発熱体の一方の端部と前記中間発熱体の一方の端部の間に設けられた第１共通電極取付部と、前記中間発熱体の他方の端部と前記内側発熱体の一方の端部の間に設けられた第２共通電極取付部と、前記内側発熱体の他方の端部及び前記外周側発熱体の他方の端部にそれぞれ設けられた２個の端部電極取付部と、
   前記第１共通電極取付部、前記第２共通電極取付部、及び前記端部電極取付部のいずれか１個に接続された３個の電流導入端子と、
   前記端部電極取付部の他の１個に取り付けられたグラウンド端子とから構成されていることを特徴とする化合物半導体気相成長装置。

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