JP2013136475A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 成長ムラを軽減し、成長した厚膜の厚さばらつきを抑制する気相成長装置を提供する。
【解決手段】
基板３を装着するサセプタ１５の基板装着面を水平面に対して所定の角度で傾斜するようにして形成し、水平面に対して斜めに配置された基板３表面にガス供給ノズル１４から水平方向に導入される反応ガスを供給するようにすると共に、サセプタ１５の基板装着面を水平面に対する傾斜角度を保持したまま回転するように駆動する駆動機構１７を設けたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、気相成長装置に関し、窒化物化合物半導体基板、特にＧａＮを気相成長するのに適した横型のＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）気相成長装置に関する。

従来、基板上に窒化物化合物半導体（例えば、ＧａＮ）をエピタキシャル成長させてなる半導体デバイス（例えば、電子デバイスや光デバイス）が知られている。この半導体デバイスには、例えば、擬似的な格子定数がＧａＮに近いＮｄＧａＯ_３基板（以下、ＮＧＯ基板）上に、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）によりＧａＮ厚膜を成長させて作製されたＧａＮ自立基板（ＧａＮのみで構成された基板、以下、ＧａＮ基板）が用いられる。

ＨＶＰＥ気相成長装置は、縦型（反応管の長手方向を垂直方向に設定したもの）と横型（反応管の長手方向を水平に設定したもの）との二種類に大別できる。ここで、「長手方向」は、反応ガス（原料ガス）を供給する方向であるということもできる。特許文献１では、縦型反応管を採用している。

特表２００８−５０４４４３号公報

特許文献１において、横型反応管について「主要な欠点は、高いガス利用効率と高い成長均一性を同時に得ることが困難なこと」であるとしている。
また、横型のＨＶＰＥ装置では、サセプタ（試料台）は水平板上で、回転機構を有するものや、縦型ＨＶＰＥ装置では、サセプタを鉛直方向に対して斜め方向に傾斜した面とし、回転軸を中心にして、サセプタの基板装着面が絶えず反応管の外周面を向きながら回転するシステムであり、エピ成長面の平坦性が悪かった。
そこで、本発明は、横型反応管が有するこの課題を解決するためになされたものであり、ＨＶＰＥ法による気相成長において、サセプタの基板表面に保持された基板における成長ムラを軽減し、成長した厚膜の厚さばらつきを抑制する気相成長装置を提供することを目的とするものである。
具体的には、横型反応管では、基板を垂直に配置すると反応管内のガスの流れが、乱れ、均一に成長できない。また、基板を水平に配置すると部分的に成長してしまい、均一に成長できない。そこで、基板表面が斜めになるように配置することでガスの速度を制御して均一性の高い成長を確保できるようにした気相成長装置を提供することを目的とする。
さらには、基板表面の傾斜角度を維持した状態で基板を回転させることで、より均一性の高い成長を確保できるようにした気相成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、一端側には反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが設けられ、外周には加熱用のヒータが配置された中空状の反応管内に、基板を装着するためのサセプタを収容配置してなる気相成長装置において、基板を装着するサセプタの基板装着面を水平面に対して所定の角度で傾斜するようにして形成し、水平面に対して斜めに配置された基板表面にガス供給ノズルから水平方向に導入される反応ガスを供給するようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の気相成長装置において、サセプタの基板装着面を水平面に対する傾斜角度を保持したまま回転するように駆動する駆動機構を備えていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の気相成長装置において、駆動機構は、反応管内に水平方向に配置された駆動軸と、駆動軸の先端側に取り付けられた駆動ギアとを備え、サセプタは、円筒を所定の角度で斜めに切断した形状を備えた片持ち梁状のケーシングの切断された切断部に固定された下部サセプタと、下部サセプタの上に配置された上部サセプタであって、下面側に回転中心から離れた位置で駆動ギアと噛み合うリング状の被駆動ギアを備えた上部サセプタと、上部サセプタの上面に取り付けられた基板装着面となるサセプタカバーとを備えていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項２又は３に記載の気相成長装置において、上部サセプタの回転中心には固定軸を設け、固定軸が挿入される上部サセプタの中心孔には回転時におけるガタ付きを防止するためのスリーブを配置したことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項５に記載の本発明は、請求項２から４のいずれか１項に記載の気相成長装置において、下部サセプタと上部サセプタとの間の前記固定軸に近い位置に同心円状にベアリングを複数配置すると共に、ベアリングは、回転中心が前記上部サセプタ及び基板が装着されたサセプタカバーの重心と重なるような高さとなるように位置させるサイズであることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項６に記載の本発明は、請求項２から５のいずれか１項に記載の気相成長装置において、駆動機構を制御する制御装置を備え、制御装置は、サセプタ装着面を気相成長中に１〜１０ｒｐｍで回転を続けるように制御することを可能としたことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項７に記載の本発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の気相成長装置において、所定の角度は、水平面に対して５〜４５°であることを特徴とする。

本発明に係る気相成長装置によれば、基板を装着するサセプタの基板装着面を水平面に対して所定の角度で傾斜させた状態で成長させることにより厚膜の成長ムラを軽減し、厚さばらつきを抑制することができるという効果がある。
また、本発明に係る気相成長装置によれば、該サセプタを気相成長中に当該平面内において回転を続けるように駆動することが可能な駆動機構を備えることとしたので、より均一性の高い成長を確保できるという効果が有る。
さらに、本発明に係る気相成長装置によれば、水素化物ガスや酸性ガス雰囲気下において、且つ、１０００℃以上の高温条件の気相成長中における４５°の傾斜角度を維持したサセプタの基板装着面の回転の停止を有効に防止し、且つ、スムーズな回転を行わせることができるという効果がある。

本発明に係る気相成長装置の一実施形態の概略を示す断面図である。 図１の気相成長装置のサセプタ部分の側面図である。 図１に示すサセプタ部分の拡大断面図である。 駆動機構の駆動ギアを示す斜視図である。 基板を載置する前のサセプタカバーを正面から見た図である。 サセプタ上に基板を載置した状態を示す斜視図である。 実施例１における成長後の基板を示す正面図である。 実施例１における成長後の基板の厚膜の厚さを測定した結果を示す図である。 比較例における成長後の基板を示す正面図である。 比較例における成長後の基板の厚膜の厚さを測定した結果を示す図である。

［気相成長装置の構成］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る気相成長装置の一実施形態の概略を示す断面図である。図示された気相成長装置１は、概略として、中空状の反応管１２と、反応管１２の周囲に配置されたヒータ１１と、反応管１２の長手方向の一端側に設けられた反応ガスを供給するためのガス供給ノズル１４と、反応管１２の内部に配置された試料台であるサセプタ１５とを備えて構成されている。反応管１２は、耐熱性を有する材料によって形成されており、例えば、石英管によって円筒状に形成され、上面及び底面が水平面に対して垂直方向に立設された状態で互いに向かい合うような横倒しの状態で配置されている。

反応管１２の内部には、サセプタ１５がアルミナロッド１７１によってハウジング１６に片持ち梁状に支持された状態で配置されており、基板３を装着するためのサセプタ１５の基板装着面は、水平面に対して所定の角度（図１では４５°）で傾斜するようにして配置されている。そして、ハウジング１６が設けられた側とは反対側の端部側にはサセプタ１５に装着される基板３に向かって反応ガスを水平方向に導入するガス供給ノズル１４，１４が設けられている。ガス供給ノズル１４、１４は、反応管１２の中央へ向かって延設されており、複数のガスを供給することができるように複数（図１では２本）設けられている。ここで、反応管１２の長手方向と、ガス供給ノズル１４，１４からサセプタ１５の基板表面へ反応ガスを流す方向とはほぼ一致するようにガス供給ノズル１４，１４が設けられる。尚、反応ガスを供給するガス供給ノズル１４，１４の数は適宜に定められて良く、特に限定されるものではない。

このように構成された気相成長装置１は、ガス供給ノズル１４，１４から水平方向に導入される反応ガスをサセプタ１５に装着された基板３へ水平方向に供給することによって基板３上に結晶を成長させるようになっている。尚、本装置はＨＶＰＥ法を実行することができる装置であるから真空装置を必要とするが、それについては図示を省略した。

また、気相成長装置１は、水平面に対して傾斜して配置されたサセプタ１５の基板装着面をこの傾斜角度を保持した状態で回転させる駆動機構１７をさらに備えている。駆動機構１７は、概略として、ハウジング１６内に内装された図示しない駆動源と、この駆動源によって発生した駆動力を伝達する駆動軸１７２と、駆動軸１７２の先端に取り付けられた駆動ギア１７４とを備えて構成されている。駆動軸１７２は中空状のアルミナロッド１７１内に収容されており、アルミナロッド１７１は一端側がハウジング１６に固定されていると共に、他端側にはサセプタ１５を水平面に対して斜めに保持するケーシング１５０が取り付けられている。ケーシング１５０は、一端側が円筒を所定の角度（本実施形態では４５°）で斜めに切断したような形状を有しており、サセプタ１５はこの切断部（取付面）に所定の角度を有して取り付けられている。また、駆動軸１７２は駆動ギア１７４と分割可能とされており、これによりケーシング１５０とアルミナロッド１７１を分離できるようにした。ケーシング１５０とアルミナロッド１７１を分離可能とすることで駆動機構１７やサセプタ１５のメンテナンスが容易となる。駆動機構１７は、例えば、１〜１０ｒｐｍの回転数でサセプタ１５を回転させることができるようになっている。回転数はこれに限定されるものではない。

また、サセプタ１５の基板装着面の角度は４５°に限らず適宜の角度とすることができる。但し、傾斜角度を４５°よりも大きな角度とするとサセプタ１５の基板装着面への反応ガスのスムーズな流が阻害されるおそれがあり、傾斜角度を５°よりも小さな角度とすると水平状態とした場合とあまり変わらなくなるので傾斜角度は５〜４５°の範囲とすることが好ましい。尚、サセプタ１５の水平面に対する傾斜角度は、サセプタ１５を取り付けるためのケーシング１５０の取付面（切断面）の角度を適宜のものとすることによって変更することができる。

一方、サセプタ１５は、図３に示すように、円筒を所定の角度（本実施形態では４５°）で斜めに切断した形状を備えた片持ち梁状のケーシング１５０の切断された切断部にネジ１６１，１６１によって取り付けられた下部サセプタ１５１と、下部サセプタ１５１の上部側に配置され、駆動ギア１７４と噛み合うリング状の被駆動ギア１５２ａが下面側に取り付けられた上部サセプタ１５２と、上部サセプタ１５２の上部に配置固定されて上部サセプタ１５２の回転と共に回転すると共に基板装着面となるサセプタカバー１５４と、を備えて構成されている。駆動軸１７２の先端に取り付けられた駆動ギア１７４はいわゆるベベルギアであり、この駆動ギア１７４が回転中心から離れて位置するリング状の被駆動ギア１５２ａと一箇所で噛み合わせることでサセプタ１５の傾斜角度を維持したままで基板装着面となるサセプタカバー１５４を回転させることができるようになっている。

また、上部サセプタ１５２及び基板３を装着したサセプタカバー１５４の自重によって生じる上部サセプタ１５２と下部サセプタ１５１の表面との接触抵抗で上部サセプタ１５２が回転できなくなること防止するために、上部サセプタ１５２の回転中心には固定軸１５５が取り付けられている。これにより、固定軸１５５を回転中心として上部サセプタ１５２を安定して回転させることを可能としている。また、上部サセプタ１５２の回転中心に穿設された固定軸１５５を挿通するための挿通孔にはスリーブ１５５ａを配置することにより固定軸１５５と挿通孔とのクリアランスを最小限に支持し、傾斜配置された回転板の回転時の振動を吸収して上部サセプタ１５２の安定した回転駆動を可能としている。尚、固定軸１５５は、下部サセプタ１５１に「Ｔ字型」のサポート１５７によって固定されており回転しないようになっている。

さらに、下部サセプタ１５１と上部サセプタ１５２との間には、同心円状にベアリング１５６，１５６が複数配置されている。これにより、上部サセプタ１５２をさらに安定して回転させることができるようになっている。この場合、上部サセプタ１５２の回転時の振動によるベアリング１５６，１５６への負荷を低減するために、ベアリング１５６，１５６の設置位置は、なるべく回転中心である固定軸１５５近い位置に配置することが好ましい。回転の中心部に近いほど回転時に受ける振動は小さいので、ベアリング１５６，１５６寿命を向上させることができる。また、サセプタ１５の振動が小さくなれば駆動機構１７へ伝わる振動も低減できるので駆動ギア１７４と被駆動ギア１５２aの寿命も向上させることができる。ベアリング１５６，１５６は、回転中心が上部サセプタ１５２及び基板３が装着されたサセプタカバー１５４（以下、「回転体」という。）の重心と重なるような高さとなるように位置させるサイズのものを用いることで回転体の回転中心が回転体の重心と重なるようにして回転体の回転をさらに安定化させることができる。回転が安定することによっては結晶の成長も均一となり、品質の向上を図ることができる。

ケーシング１５０、下部サセプタ１５１及び上部サセプタ１５２、駆動ギア１７４，被駆動ギア１５２ａはＳＢＮ製であり、ネジ１６１，１６１はＢＮ（窒化ホウ素（boron nitride）製であるが、これに限定されるものではない。ＳＢＮ（窒化ホウ素（ＢＮ）と窒化ケイ素の複合材）中のＳｉ、Ｂによるコンタミを避けるためにＭｏ製とすることも考えられる。

図４は、サセプタカバー１５４の正面図である。サセプタカバー１５４の表面には、基板を３枚載せられるようにそれぞれ正三角形の頂点に対応するように３つのピン１５４ａ、１５４ａが合計９個配置されている。ピン１５４ａ、１５４ａは、３枚の基板３を載置した際の重心がちょうど円形のサセプタカバー１５４の中心になるようにバランスを考慮した位置に配置されている。尚、図５に示すように、サセプタカバー１５４上に配置された基板３の周囲にモリブデンワイヤー１５４ｂを突き刺すことで基板３の固定及び支持を行わせることができる。

［実施例1］
次に、本発明に係る気相成長装置１について、具体的な実施例に基づいて説明する。実施例１は、窒化物化合物半導体基板の一つであるＮＧＯ基板上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜を成長させる装置であって、気相成長を行う基板３がＮＧＯ（ネオジムガレート、ＮｄＧａＯ_３）基板であり、基板３上に気相成長させる厚膜は窒化物化合物半導体材料（ＧａＮ（窒化ガリウム））である。実施例１における横型ＨＶＰＥ装置の詳細は次の通りである。
横型割型反応炉：有効内径φ280mm(φ260×Ｌ2750mm石英管)
ヒータ素線 ：カンタルＡＰＭ、寸法φ480×Ｌ1980mm、上下分割式１０ゾーン制御
原料部300mm長３ゾーン制御850℃，950℃
反応部300mm長７ゾーン制御550℃〜1050℃
ガス供給ノズルサイズ：キャリアガス導入部および、ＮＨ_３ガス導入部φ18mm、ＨＣＬガス導入部φ30mm
温度調節計：ＨＡ900理化工業社製
システムコントローラー：マイクロ・ロジック社製ＨＶＰＥ制御システム搭載

実施例１は、サセプタカバー１５４が水平面に対して４５°の傾斜を有するものであり、ＨＶＰＥ法によりＮＧＯ基板上にＧａＮ厚膜を成長させるものである。円形のサセプタカバー１５４は直径１８０ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板形状とされており、３枚の基板３をそれぞれ３点で３ｍｍ高さのピン１５４ｂ、１５４ｂ（全部で９個）によって支持固定している。また、駆動機構１７は、サセプタカバー１５４の気相成長中に当該平面内において１〜１０ｒｐｍで回転を続けるように駆動する。基板３は厚さ３５０μｍ、直径５５．０ｍｍ〜５８．０ｍｍのＮＧＯ基板であり、周囲をモリブデンワイヤー（直径０．５ｍｍ）１５４ｂで固定した。図５は、サセプタカバー１５４上にＮＧＯ基板３を３枚載置した様子を示している。

上述のように、サセプタカバー１５４上に基板３を３枚載置した状態で、反応管２の内部にセットし、ＨＶＰＥ装置の必要な組み立てを行った。そして、サセプタカバー１５４の表面が水平面に対して４５°の傾斜を維持しつつ、３ｒｐｍ（１分間に３回転）の回転速度で上部サセプタ１５２を回転させながら、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ（窒化ガリウム）の気相成長を行った。
成長条件は次の通りである。
ヒータ温度：原料部850℃，反応部1000℃
キャリアガス（窒素）：36100sccm
ＨＣｌライン：ＨＣｌ供給1000sccm＋窒素400sccm
ＮＨ_３ライン：ＮＨ_３供給2800sccm＋窒素4200sccm
上記条件にて８時間成長させた。

図６は、成長後の基板３を正面から見た図である。一見したところ、３枚の基板３のいずれも一様な厚さでＧａＮの厚膜が成長できている。また、基板３を固定するのに用いたモリブデンワイヤー１５４ｂの周囲にもＧａＮの塊が成長している。
基板３の表面の厚さをマイクロメーターで測定した結果を図７に示す。図７は、成長後の厚膜の厚さを測定した結果を記入した図である。図７で上に位置する基板３については、中心が２１２９μｍ、周辺の４点が２４８０μｍ、２４９２μｍ、１８０９μｍ、２２１４μｍであり、右に位置する基板については、中心が２２０５μｍ、周辺の４点が２２６３μｍ、２１６０μｍ、１８９８μｍ、２１３６μｍであり、左に位置する基板については、中心が２４０５μｍ、周辺の４点が２４４３μｍ、２３１０μｍ、１９２７μｍ、２３６５μｍであった。サセプタカバー１５５の中心に近い３点では、いずれの基板３においても比較的薄くなっているが、その他の点においてはいずれも均一な成長がなされていることがわかる。

［実施例１の効果］
以上のように、水素化物ガスや酸性ガス雰囲気下において、且つ、１０００℃以上の高温条件でも４５°の傾斜角度を維持した状態で回転が停止することなく安定して回転駆動させることができた。そして、そのようにして成長させたＧａＮの膜厚もほぼ均一に成長させることができた。
また、反応管１２内の温度と上部サセプタ１５２の回転数との関係を実測したデータによれば、昇温後の回転開始から冷却時の回転停止に至るまでの上部サセプタ１５２の回転はスムーズであることが確認された。

［実施例１の比較例］
比較例では、上部サセプタ１５２を回転させずに固定した状態で、他の条件は実施例と同一として、ＧａＮの気相成長を行った。
図８は、比較例における成長後の基板３を正面から見た図である。上に位置する基板３の厚膜成長は極めて悪く、左右を比べると右の方が厚く成長したことがわかる。各基板３の表面の厚さをマイクロメーターで測定した結果は図９の通りであった。図９は成長後の厚膜の厚さを測定した結果を記入した図である。図９には等厚線を描くことで、同じ厚さの部分がどのように延びているかを示すと共に、厚さの測定結果の数値（単位μｍ）で示した。

比較例に比べて実施例１では成長したＧａＮ層の厚さが均一に揃っており、ＮＧＯ基板からの剥離も少なく良好であった。
横型ＨＶＰＥ装置を用いて、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ気相成長を行う場合において、基板３を装着したサセプタ１５水平に対して所定角度に傾斜させると共に、傾斜状態を維持しつつ、所定の回転速度で回転させながらＧａＮ気相成長を行うことによって、ＧａＮ成長ムラを軽減し、成長したＧａＮ層の厚さばらつきを抑制することができた。

以上、本発明に係る気相成長装置について好ましい実施形態基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更可能である。
例えば、実施例では、ＧａＮの成長について説明したが、ＧａＮ以外の窒化物化合物半導体についても本発明を適用することができる。ここで、ＧａＮ以外の窒化物化合物半導体とは、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体であり、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等がある。

尚、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 気相成長装置
３ 基板
１１ ヒータ
１２ 反応管
１４ ガス供給ノズル
１５ サセプタ
１６ ハウジング
１７ 駆動機構
１５０ ケーシング
１５１ 下部サセプタ
１５２ 上部サセプタ
１５２ａ 被駆動ギア
１５４ サセプタカバー
１５５ 固定軸
１５５ａ スリーブ
１５６ ベアリング
１５７ サポート
１６１ ネジ
１７１ アルミナロッド
１７２ 駆動軸
１７４ 駆動ギア
１５４ａ ピン
１５４ｂ モリブデンワイヤー

Claims (7)

1. 一端側には反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが設けられ、外周には加熱用のヒータが配置された中空状の反応管内に、基板を装着するためのサセプタを収容配置してなる気相成長装置において、
   前記基板を装着する前記サセプタの基板装着面を水平面に対して所定の角度で傾斜するようにして形成し、水平面に対して斜めに配置された前記基板表面に前記ガス供給ノズルから水平方向に導入される反応ガスを供給するようにしたことを特徴とする気相成長装置。
2. 請求項１に記載の気相成長装置において、
   前記サセプタの基板装着面を水平面に対する傾斜角度を保持したまま回転するように駆動する駆動機構を備えていることを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項２に記載の気相成長装置において、
   前記駆動機構は、
   反応管内に水平方向に配置された駆動軸と、
   前記駆動軸の先端側に取り付けられた駆動ギアと、
   を備え、
   前記サセプタは、
   円筒を所定の角度で斜めに切断した形状を備えた片持ち梁状のケーシングの前記切断された切断部に固定された下部サセプタと、
   前記下部サセプタの上に配置された上部サセプタであって、下面側に回転中心から離れた位置で前記駆動ギアと噛み合うリング状の被駆動ギアを備えた上部サセプタと、
   前記上部サセプタの上面に取り付けられた前記基板装着面となるサセプタカバーと、
   を備えていることを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項２又は３に記載の気相成長装置において、
   前記上部サセプタの回転中心には固定軸を設け、
   前記固定軸が挿入される当該上部サセプタの中心孔には回転時におけるガタ付きを防止するためのスリーブを配置したことを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の気相成長装置において、
   前記下部サセプタと前記上部サセプタとの間の前記固定軸に近い位置に同心円状にベアリングを複数配置すると共に、
   前記ベアリングは、回転中心が前記上部サセプタ及び基板が装着された前記サセプタカバーの重心と重なるような高さとなるように位置させるサイズであることを特徴とする気相成長装置。
6. 請求項２から５のいずれか１項に記載の気相成長装置において、
   前記駆動機構を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記サセプタ装着面を気相成長中に１〜１０ｒｐｍで回転を続けるように制御することを可能としたことを特徴とする気相成長装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の気相成長装置において、
   前記所定の角度は、水平面に対して５〜４５°であることを特徴とする気相成長装置。

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