JP2013138164A - Semiconductor manufacturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応室内に設置した基板の表面に結晶成長させて半導体を製造する装置に関し、特に基板を設置するサセプタの構造に特徴がある半導体製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor by growing crystals on the surface of a substrate installed in a reaction chamber, and more particularly to a semiconductor manufacturing apparatus characterized by the structure of a susceptor on which a substrate is installed.
半導体製造装置には、基板の種類や基板の設置構造、反応ガスの供給方法、などによって種々の構造のものが使用されている。近年、膜厚を原子層オーダで制御することができるMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)が多用されている。MOCVD等の半導体製造装置は、共通する基本的な構成として、基板を支持するサセプタ、サセプタを介して基板を加熱するヒーターなどを備えている。 Semiconductor manufacturing apparatuses having various structures are used depending on the type of substrate, the substrate installation structure, the reaction gas supply method, and the like. In recent years, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), which can control the film thickness on the atomic layer order, has been frequently used. Semiconductor manufacturing apparatuses such as MOCVD include a susceptor that supports a substrate and a heater that heats the substrate via the susceptor as a common basic configuration.
良好な特性を持つ半導体を製造するために、基板上に組成や膜厚が均一な結晶が成長されることが要求される。均一な膜厚形成を実現するため基板温度の均一性が極めて重要であり、このため、基板を支持するサセプタには、高い均熱性が求められる。従来の半導体製造装置では、サセプタとヒーターとを遮熱板で囲み、熱が遮熱板の外側に伝わるのを防ぎ、サセプタを効率よく加熱するように工夫されている。それでもなお、基板の全面に亘って温度の高い均一性を達成することは困難である。特に、GaN(窒化ガリウム)系の半導体結晶の成長温度は1050℃程度の高温であり、サセプタからの輻射熱量が非常に大きく、サセプタの均熱制御が難しい。 In order to manufacture a semiconductor having good characteristics, a crystal having a uniform composition and film thickness is required to be grown on a substrate. The uniformity of the substrate temperature is extremely important for realizing the formation of a uniform film thickness. For this reason, the susceptor that supports the substrate is required to have high thermal uniformity. In the conventional semiconductor manufacturing apparatus, the susceptor and the heater are surrounded by a heat shield plate to prevent heat from being transmitted to the outside of the heat shield plate, and the susceptor is efficiently heated. Nevertheless, it is difficult to achieve high temperature uniformity across the entire surface of the substrate. In particular, the growth temperature of a GaN (gallium nitride) -based semiconductor crystal is as high as about 1050 ° C., the amount of radiant heat from the susceptor is very large, and soaking control of the susceptor is difficult.
一般的なサセプタとヒーターの構造とその温度分布を図10に示す。なお、図10においてはいずれも右端がサセプタの中央にあたり、中央より右側の部分は省略している。省略している部分についてはサセプタ中央にて反転したような構造と温度分布となっている。図10(a)は、サセプタ40の基板載置面(以下、基板載置面を表面、その反対側を裏面という)と反対側にヒーター50を配置した構造の半導体装置におけるサセプタ表面の温度分布を示す図である。図示するように、サセプタ40の裏面側に、ヒーター50が配置されている。サセプタ40の表面側から見たときに、ヒーター50の面積はサセプタ40の面積とほぼ同じであり、ヒーター50から放熱される熱はサセプタ40の全面に亘ってほぼ均一に伝わる。一方、サセプタ40からの放熱は、遮熱板が設置されているものの、側面側から行われる。このため、サセプタ表面は、サセプタ中央で一番温度が高く、周囲に向かって温度が低くなる温度分布を示すようになる。
A general susceptor and heater structure and temperature distribution are shown in FIG. In FIG. 10, the right end corresponds to the center of the susceptor, and the portion on the right side of the center is omitted. The omitted portion has a structure and temperature distribution that is inverted at the center of the susceptor. FIG. 10A shows the temperature distribution on the surface of the susceptor in a semiconductor device having a structure in which the
これに対し、図10(b)に示すように、ヒーター55をサセプタ40の側面に配置した構造の半導体装置では、サセプタ40側面からの放熱の問題は解決されるが、ヒーター55から伝導される熱はサセプタ自体の熱抵抗(熱損失)により中心に向かうにつれて少なくなるため、サセプタ周辺で温度が高く、中心に向かうにつれて温度が低くなる温度分布となる。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the semiconductor device having the structure in which the
従来、サセプタ温度の均一性を向上させる技術、特にサセプタ周囲の温度が低くなる問題を解決する方法として、主としてヒーターの改善が提案されている。例えば、特許文献1には、サセプタの裏面側に配置されるヒーターの断面形状を、中央部と外周部とで異ならせることにより、外周部の温度が中心部より高くなる構造が開示されている。また特許文献2には、基板の下部に配置されたヒーターとは別に、基板を支持する環状ホルダの外周部にヒーターを配置するとともに、環状ホルダ等を回転させる回転ユニットの外側にヒーターを配置した構造が開示されている。さらに特許文献3には、ヒーターを内蔵するセラミックス製の円盤(盤状セラミックスヒーター)で基板を支持するとともに、盤状セラミックスヒーターの基板搭載面と反対側の面を球面状にして、ヒーターの放熱性を向上し、基板搭載面の均熱化を図ることが提案されている。
Conventionally, improvement of the heater has been mainly proposed as a technique for improving the uniformity of the susceptor temperature, particularly as a method for solving the problem of the temperature around the susceptor being lowered. For example,
特許文献1に記載された技術は簡便ではあるが、ヒーターの断面形状を最適化してサセプタ温度を均一にするために、最適な形状を見出すために試行錯誤を繰り返す必要があり、均熱が得られるヒーターの製造に手間とコストがかかるという問題がある。またヒーターの外周部の温度が高くなるので、外周部の熱劣化が早くなりヒーター寿命が短い。
Although the technique described in
特許文献2に記載された技術では、基板の下側に設置された主ヒーターとは別に外周加熱用ヒーターや外部のヒーターが設けられているため、ヒーター数及びヒーター制御系が増加し、装置が複雑化するという問題がある。
In the technique described in
特許文献3に記載された技術は、均熱化するための盤状セラミックスヒーターの形状を最適化するために多大な試行錯誤を要する。またヒーターとサセプタとを一体化しているため、いずれか一方を取り外す必要がある場合、全体を取り外さなければならない。例えば、サセプタに結晶硬度の高い窒化ガリウム等の堆積物が付着した場合、装置から取り外してウェットエッチンング等で除去し、再度取り付ける必要があるが、その場合、ヒーター電極についても取り外しや取り付けが必要となる。またウェットエッチンング洗浄の際に電極が損傷しないように保護する必要がある。或いはサセプタ部分には損傷がなくても、ヒーターの寿命が尽きたときには、全体を取り替える必要がある。
The technique described in
本発明は、上述した従来技術の諸問題を解決し、製造やメンテナンスにおける多大な手間やコストを不要とし、比較的簡易な構成でサセプタ表面の高い均熱性を実現することが可能な半導体製造装置を提供することを課題とする。 The present invention solves the problems of the prior art described above, eliminates the need for much labor and cost in manufacturing and maintenance, and realizes high heat uniformity on the susceptor surface with a relatively simple configuration. It is an issue to provide.
上記課題を解決するため、本発明は、基板を加熱するヒーターをサセプタの側面に配置し、側面が受ける放射熱量がサセプタ中心から周辺に向かって傾斜を持つようなサセプタ形状を採用する。これにより、放射熱量とサセプタの裏面から表面(基板搭載面)に伝達される伝達熱量とを、サセプタ全体としてバランスさせることができ、均熱化を図ることができる。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention employs a susceptor shape in which a heater for heating a substrate is disposed on the side surface of the susceptor, and the amount of radiant heat received by the side surface is inclined from the susceptor center toward the periphery. As a result, the amount of radiant heat and the amount of heat transferred from the back surface of the susceptor to the front surface (substrate mounting surface) can be balanced as a whole susceptor, and soaking can be achieved.
即ち、本発明の半導体製造装置は、反応室と、反応室内に設置され、基板を搭載するサセプタと、サセプタを側面から加熱する加熱手段とを備え、サセプタは、基板を搭載する面(基板搭載面)と垂直な方向の厚みが、基板搭載面の中心部から周辺部に向かって薄くなる形状を有する。 That is, the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention includes a reaction chamber, a susceptor that is installed in the reaction chamber and mounts the substrate, and a heating unit that heats the susceptor from the side surface. The susceptor has a surface on which the substrate is mounted (substrate mounting). The thickness in the direction perpendicular to the surface) decreases from the center to the periphery of the substrate mounting surface.
このようなサセプタの形状は、ほぼ円錐形状、すなわち基板搭載面の中心を通り、基板搭載面に垂直な断面において、ほぼ三角形の形状であり、三角形の二辺(基板搭載面の辺以外の辺)は直線であってもよいし、曲線状になっていてもよい。 The shape of such a susceptor is substantially a conical shape, that is, a substantially triangular shape in a cross section passing through the center of the substrate mounting surface and perpendicular to the substrate mounting surface, and two sides of the triangle (sides other than the sides of the substrate mounting surface) ) May be straight or curved.
加熱手段は好適には円筒形状を有する。そして円筒の軸方向の長さがサセプタの最大厚み以上であることが好ましい。加熱手段は、サセプタの側面の外側、或いは、基板搭載面の周辺部の裏面に近接して配置される。 The heating means preferably has a cylindrical shape. The length of the cylinder in the axial direction is preferably equal to or greater than the maximum thickness of the susceptor. The heating means is disposed outside the side surface of the susceptor or close to the back surface of the peripheral portion of the substrate mounting surface.
また本発明の半導体製造装置は、中心部から周辺部に向かって薄くなる形状のサセプタと、基板を側面から加熱する加熱手段との間の空間に、当該空間を基板搭載面と平行に分割する遮熱板を配置したことを特徴とする。 The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention divides the space in parallel with the substrate mounting surface into a space between the susceptor having a shape that becomes thinner from the central portion toward the peripheral portion and a heating unit that heats the substrate from the side surface. It is characterized by arranging a heat shield.
サセプタを側面から加熱するように配置された加熱手段からの熱は、サセプタ外周部から中心部にむかって円錐形になった表面を加熱する。即ち、サセプタの裏面全体を加熱できる。この放射熱を受けるサセプタ裏面は、周辺部から中心部に向かって傾斜した形状であり、基板搭載面と平行な面で区切った場合、区切られた領域の面積は中心部に近いほうが小さく、周辺部に向かって大きくなる。従って、サセプタが受ける単位面積当たりの放射熱量は中心部に近いほど大きく、その受熱面の温度は高くなる。 Heat from heating means arranged to heat the susceptor from the side heats the conical surface from the outer periphery of the susceptor toward the center. That is, the entire back surface of the susceptor can be heated. The back surface of the susceptor that receives this radiant heat has an inclined shape from the peripheral part toward the central part, and when divided by a plane parallel to the substrate mounting surface, the area of the divided area is smaller near the central part, Grows toward the part. Therefore, the amount of radiant heat per unit area received by the susceptor increases as the distance from the center increases, and the temperature of the heat receiving surface increases.
一方、サセプタ表面温度は裏面温度より低いので、熱は裏面から表面方向に流れる。このとき、傾斜した裏面から基板搭載面までの距離即ちサセプタの厚みは、中心部から周辺部に向かって薄くなっているので、サセプタ内を伝播しサセプタ表面に伝わる熱の損失は、周辺部から中心部に向かって大きくなる。この伝導熱の損失により、上述した受熱面が受ける放射熱量の傾斜が相殺され、結果として、基板搭載面における均熱化を達成することができる。 On the other hand, since the susceptor surface temperature is lower than the back surface temperature, heat flows from the back surface to the front surface. At this time, since the distance from the inclined back surface to the substrate mounting surface, that is, the thickness of the susceptor becomes thinner from the central portion toward the peripheral portion, the heat loss transmitted through the susceptor and transmitted to the susceptor surface is reduced from the peripheral portion. Grows toward the center. This loss of conduction heat cancels out the gradient of the amount of radiant heat received by the heat receiving surface described above, and as a result, it is possible to achieve soaking on the substrate mounting surface.
特に基板と加熱手段との間の空間をゾーンに分割した場合には、各ゾーンに対応するサセプタ側面部分の受熱量を均一化することができ、より高い均熱化が実現できる。 In particular, when the space between the substrate and the heating means is divided into zones, the amount of heat received at the side surface of the susceptor corresponding to each zone can be made uniform, and higher temperature equalization can be realized.
以下、本発明をMOCVD装置に適用した実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments in which the present invention is applied to an MOCVD apparatus will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明が適用されるMOCVD装置の概要を示す図である。このMOCVD装置100は、有機金属材料を用いて、サファイア、シリコン、窒化ガリウム基板、シリコンカーバイト基板等の基板上に化合物半導体結晶を成長させる装置であり、外部と気密にされた反応容器1と、反応容器1内に材料ガスを供給するためのガス供給管2と、ガス供給管2が接続され、反応容器1内に設置されたフローチャンネル3と、基板9を搭載し且つ搭載した基板9がフローチャンネル3を流れる材料ガスと接するようにフローチャンネル3に面して配置されるサセプタ4と、サセプタ4の周囲に配置されたヒーター5と、サセプタ4及びヒーター5を取り囲む遮熱板6と、サセプタ4を回転させる回転機構7と、ヒーター5及び遮熱板6が配置される空間(ヒーター室)を反応容器1の他の空間から仕切る隔壁8とを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of an MOCVD apparatus to which the present invention is applied. The
反応容器1には、材料ガスを供給するガス供給管2とは別に、不活性ガスを反応容器1内に供給するパージガス供給管10が接続されるとともに、排気管13が接続されており、反応容器1内に拡散する材料ガス等を排気する構造になっている。図示する例では、パージガス供給管10は、ヒーター室側とその外側とに二系統(11、12)設けられている。パージガス供給管11、12から供給される不活性ガスは、サセプタ4、ヒーター5、遮熱板6などを腐食しないガスであればよく、具体的には窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。
A purge
材料ガスは、有機金属ガスの他に、例えば水素ガスや窒素ガスなど複数種類用いられる。ガス供給管2は、これらガスの種類に合わせて、複数のガス供給管21、22(図では2つ)設けられる。フローチャンネル3内部は、ガス毎に流路が仕切られており、基板9の上部でこれらガスが混合されて反応する構造になっている。またフローチャンネル3の下流には、フローチャンネル排気管14が接続されている。フローチャンネル排気管14の端部は反応容器1の排気管13内に収納され、反応に使われなかった余剰の材料ガスや反応によって生じた副生ガスなどはこの排気管13から反応容器1の外部に排出される。
In addition to the organic metal gas, a plurality of types of material gases such as hydrogen gas and nitrogen gas are used. The
隔壁8は、水冷ジャケット式の隔壁8で構成することができ、ヒーター室の高温と外側とを熱的に遮断するとともに、材料ガス等がヒーター室内に流入するのを防止する。遮熱板6は、低熱伝導性の材料、例えばボロンナイトライド(BN)、パイロリティックボロンナイトライド(PBN)からなる板材で、サセプタ4の底面及びヒーター5を囲むように、側面及び底面側に複数枚を重ねた状態で配置される。
The
サセプタ4は、熱伝導性の良好な材料、例えばグラファイト等のカーボン材料の表面をSiC膜でコートした材料からなり、ほぼ円錐状の形状を有し、円錐の底面となる面(図2では上面)が基板搭載面となるように反応容器1に配置されている。
The
サセプタ4の形状について、さらに、図2を参照して詳述する。図2(a)は、図1に示す装置のサセプタ4を上から見た図であり、図2(b)は基板搭載面の中心を含む側断面を示す図である。図示するように、サセプタ4の基板搭載面41には、その外周から少し内側に基板9を搭載するための凹部42が形成されている。この凹部42の外周とサセプタ4の外周との間の環状の部分を周辺部43と呼ぶ。サセプタ4の基板搭載面の径φは、フローチャンネル3を上から見たときの幅Wよりも小さく、サセプタの凹部42に搭載された基板9が確実に材料ガス(混合ガス)と接触するようになっている。
The shape of the
サセプタ4の基板搭載面と反対側(裏面側)の形状は、図2(b)の断面図に示すように、基板搭載面の径φと等しい径を持つ部分(リム部)44とそれに続く円錐部45とからなり、基板搭載面41と垂直な方向のサセプタ4の高さ(すなわちサセプタ4の厚み)で表現したときに、厚みが中心部で最も厚く、周辺部に向かって薄くなっている。基板搭載面の径φと最大厚みTとの関係は、後述するヒーター5の高さと基板搭載面の径φとの関係及びヒーターの高さとサセプタの最大厚みtの関係から決定することができる。一例として、サセプタの上面の直径φを60mmであるとすると、リム部43の厚みが2mm、円錐部の高さが15mmである。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2B, the shape of the
サセプタ4の裏面の中心は、反応容器1の外部に設けられた回転機構7に接続され、反応時には回転機構7によってサセプタ4が回転する。これによりサセプタ4に搭載された基板9上での結晶成長をむらなく進行させることができる。
The center of the back surface of the
ヒーター5は、サセプタ4の径φよりも径が大きい円筒形状を有し、円筒の周に沿って或いは軸方向に複数のスリットを形成し、電極端子の一方から他方までの実質的な電極間距離を長く形成したものである。ヒーター5の高さHは、サセプタ4の中心部の厚みTとほぼ同程度であり、これによりサセプタ4の裏面側全体をヒーター5が囲む構造になっている。
The
円筒状のヒーター5には、スリットの入れ方により横式と縦式があり、そのいずれも採用することができる。図3(a)〜(c)に円筒状ヒーター5の一例を示す。図3(a)は円筒の周方向に沿ってスリットを形成した横式のヒーターであり、図3(b)は円筒の軸方向の上下から互い違いにスリットを形成した縦式のヒーターである。いずれも両電極間は電気的且つ物理的につながっており、反応容器1の外部にある不図示の電源に接続されている。また原理的には、図3(c)に示すようなスリットが入っていない円筒状のヒーターも採用することができる。
The
ヒーター5の円筒軸方向のサイズつまり高さHは、ヒーター5が作る円筒の内面の面積と、サセプタ4の上面の面積とがほぼ等しくなるように設計することが好ましい。これによりヒーター5の発熱量は、図4に示すように、板状のサセプタ40の裏面に同面積のヒーター50を配置した構造のヒーター50の発熱量と同じになる。例えば、サセプタの半径及びヒーター5が形成する円筒の半径がともにr(=φ/2)であるとして、サセプタ4上面の面積(円筒の内面の面積)をSとすると、S=π×r2であるので、高さH=S÷(2πr)=r/2となる。即ちヒーター5の高さHは、サセプタ4の半径rの1/2と等しくすればよいことになる。
The size of the
次に図10(c)を参照して本実施形態による均熱化の効果を説明する。図10(c)は、上から順に、温度分布、側断面、上から見たサセプタの集熱効果を示す図である。ヒーター5の面積をサセプタ4上面の面積と同じにし、ヒーター5の高さをサセプタ4の高さと同じにした場合、平坦なサセプタ4の下面に同面積のヒーターを配置した場合(図10(a))と同じ熱量がサセプタ裏面全体に放射される。ヒーター5からの輻射熱の放射方向には広がりがあるが、円筒の軸に直交する成分が最も輻射量は多く、また円筒の軸に沿って均一である。しかし、輻射熱を受けるサセプタ4の裏面の面積は、サセプタ4周辺部で最も大きく中心部に向かうに従い減少する。従って、サセプタの単位面積が受ける熱量は中心部が最も大きく、この受熱量が最大となる。この単位面積当たりの熱量は、円錐の円周に反比例する。
Next, the effect of soaking according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10C is a diagram showing the temperature distribution, the side cross section, and the heat collection effect of the susceptor as seen from above, in order from the top. When the area of the
一方、サセプタ4の裏面から熱伝導により基板搭載面に熱が伝わる際に、サセプタ裏面と基板搭載面との距離に比例した熱損失を受ける。サセプタ裏面と基板搭載面との距離と、距離の位置における円錐の半径とは、サセプタ形状が円錐形である本実施形態の場合、反比例の関係にある。従って、裏面の円錐の高さ方向における単位面積当たりの輻射熱量の変化(減少又は増加)は、裏面と基板搭載面との距離の変化による熱損失によって相殺され、最終的に基板搭載面が受け取る熱はほぼ均一となり、基板搭載面の温度の均一性が実現できる。
On the other hand, when heat is transferred from the back surface of the
本実施形態によれば、円筒状のヒーター5をサセプタ4の外周に配置するとともに、サセプタ4の基板搭載面と反対側の形状を円錐形状としたことにより、平板状のサセプタの裏面にヒーターを配置した場合と同様の熱量をサセプタに供給することができ、且つサセプタ側面からの抜熱を防止することができる。また、円筒状ヒーターの高さを円錐状のサセプタの高さとほぼ同じにしたことにより、サセプタの裏面全体にヒーターからの熱を供給することができる。すなわち、本実施形態の構造によれば、ヒーターをサセプタ裏面に配置した場合の側面からの抜熱とそれによるサセプタ周辺部温度の低下の問題、及びヒーターを側面に配置した場合のサセプタ中央部への熱伝導損とそれによるサセプタ中央部温度の低下の問題を、同時に解決することができる。
According to this embodiment, the
さらに本実施形態によれば、円筒状のヒーターからサセプタ裏面が受ける輻射熱と、サセプタ裏面から基板搭載面に到達する伝導熱とを量的にバランスすることができるので、最終的に基板搭載面において均一な温度分布を達成することができる。 Furthermore, according to the present embodiment, the radiation heat received by the susceptor back surface from the cylindrical heater and the conduction heat reaching the substrate mounting surface from the susceptor back surface can be quantitatively balanced. A uniform temperature distribution can be achieved.
以上、本発明の基本的な実施形態を説明したが、発明の趣旨を損なわない範囲で、サセプタの形状やヒーターの配置を種々に変更することが可能である。以下、変更例を説明する。 Although the basic embodiment of the present invention has been described above, the shape of the susceptor and the arrangement of the heater can be variously changed without departing from the spirit of the invention. Hereinafter, a modification example will be described.
<第二〜第五実施形態>
図5(a)〜(e)に、サセプタ形状の種々の実施形態を示す。図中、点線は、円錐を底面に平行な面で3つの領域(周辺部、中央部、中周部)に分けた場合の各領域の境界を示している。図5(a)は、上述した第一実施形態であり、基本的な円錐形状の裏面を持つサセプタである。この実施形態では、前述したとおり、円錐の頂点から底面まで、サセプタ裏面が受ける単位面積当たりの輻射熱量が線形に変化する。従って、受熱面の面積は円錐の円周に比例して増加する。図5(b)は、円錐の錐面を外側に膨らませた形状のサセプタであり、ヒーターからの輻射熱を受ける面積が円錐の頂点に近い部分では急に増加し、周辺部に近付くに従い増加が緩やかになる。即ち、図5(a)に示す実施形態に比べて、周辺部が受ける熱量が増加し、受熱量が多くなる領域(受熱ゾーン)が周辺部に生じる。
<Second to fifth embodiments>
5 (a) to 5 (e) show various embodiments of susceptor shape. In the figure, dotted lines indicate the boundaries of each region when the cone is divided into three regions (peripheral portion, central portion, and middle peripheral portion) by a plane parallel to the bottom surface. FIG. 5A is the susceptor having the basic conical back surface according to the first embodiment described above. In this embodiment, as described above, the amount of radiant heat per unit area received by the back surface of the susceptor changes linearly from the top to the bottom of the cone. Therefore, the area of the heat receiving surface increases in proportion to the circumference of the cone. Fig. 5 (b) shows a susceptor with a conical conical surface bulging outward. The area receiving the radiant heat from the heater suddenly increases near the apex of the cone and gradually increases as it approaches the periphery. become. That is, compared with the embodiment shown in FIG. 5A, the amount of heat received by the peripheral portion increases, and a region (heat receiving zone) where the amount of heat received increases is generated in the peripheral portion.
図5(c)は、円錐の錐面を内側に凹ませた形状のサセプタであり、ヒーターからの輻射熱を受ける面積が円錐の頂点に近い部分では緩やかに増加し、周辺部に近付くに従い増加が急峻になる。即ち、図5(a)に示す実施形態に比べて、サセプタ中央部が受ける熱量が増加し、受熱ゾーンは中央部側に移動する。 FIG. 5 (c) shows a susceptor with a conical conical surface recessed inward, and the area that receives the radiant heat from the heater gradually increases in the portion close to the apex of the cone, and increases as it approaches the peripheral portion. It becomes steep. That is, as compared with the embodiment shown in FIG. 5A, the amount of heat received by the susceptor center increases, and the heat receiving zone moves toward the center.
図5(b)及び(c)は、図示するサセプタ形状の断面図において、円錐の頂点と底面外周とをつなぐ線の傾きが単調に変化する場合であるが、図5(d)、(e)は変曲点を持つ場合である。ただし、図5(d)では頂点近傍と周辺部近傍における傾きの変化が大きく、サセプタ中心と周辺部との間の領域(中周部)で表面温度が低くなる。図5(e)では頂点と周辺部との間の領域における傾きの変化が大きく、サセプタ中心と周辺部との間の領域(中周部)で表面温度が高くなる。 5B and 5C show a case where the slope of the line connecting the apex of the cone and the outer periphery of the bottom surface changes monotonously in the susceptor-shaped cross-sectional view shown in FIGS. 5D and 5E. ) Is the case with inflection points. However, in FIG. 5D, the change in the inclination near the apex and the vicinity is large, and the surface temperature is low in the region between the susceptor center and the periphery (the middle periphery). In FIG.5 (e), the change of the inclination in the area | region between a vertex and a peripheral part is large, and surface temperature becomes high in the area | region (mid-circumference part) between a susceptor center and a peripheral part.
サセプタの形状をこれら実施形態で示すように変化させることにより、ヒーターからの輻射熱の受熱面形状を変化させて、サセプタの領域(周辺部、中央部、中周部)毎に単位面積当たりの受熱量を調整することができる。 By changing the shape of the susceptor as shown in these embodiments, the shape of the heat receiving surface of the radiant heat from the heater is changed so that the area per unit area (peripheral part, center part, middle part) is received per unit area. The amount of heat can be adjusted.
<第六実施形態>
図6にヒーターの配置を異ならせた実施形態を示す。図2と同一の要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。図2に示す実施形態では、サセプタ周辺部の外側にヒーターを配置する構造を示したが、本実施形態では、基板9を搭載する凹部42を除く周辺部43の下側にヒーター5を配置している。ヒーターの構造は、第一実施形態と同様であり、図3に示す円筒状のものが採用できる。
<Sixth embodiment>
FIG. 6 shows an embodiment in which the heaters are arranged differently. The same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the embodiment shown in FIG. 2, the structure in which the heater is arranged outside the peripheral portion of the susceptor is shown. However, in this embodiment, the
本実施形態においては、サセプタ4は、円錐の錐面が外側に凸になった形状(図5(b)の形状)のサセプタを採用している。またサセプタ4の裏面側に形成される円錐部45の底面の径φは、サセプタの基板搭載面の径Φより小さく、リム部44の裏面に平坦な領域(平坦部)46が形成されている。この平坦部46に近接してヒーター5が配置される。一例として、サセプタの上面の直径φを60mmであるとすると、リム部の厚みが1mm、円錐部45の径が54mm、高さが13mmである。
In the present embodiment, the
サセプタ4の円錐部45で、ヒーター5から円筒の中心に向かって放射された熱を受け、基板搭載面41に向かって熱伝導が行われ、基板搭載面の均熱化が達せされることは第一実施形態と同様であるが、円錐部の形状を凸形状にしていることから、第1実施形態に比べ受熱ゾーンが外側に移動し、外周側の受熱量が増加する構造になっている。
また本実施形態では、サセプタ外周部に平坦部46を有する厚みの薄いリム44を設けているので、ヒーター5をサセプタ裏面に近接して配置することができ、熱の利用効率を高めることができる。またヒーター5から上方に向かう熱が平坦部によって遮断されるので、基板搭載面の周辺部41上に材料ガスの反応生成物が堆積するのを抑制できるという効果も得ることができる。
The
In the present embodiment, since the
なお図示する実施形態では、円錐形状が外側に凸状になった形状(図5(b))とし、外周部の温度が高くなる構造としているが、図5に示す他の形状を採用することもできる。 In the illustrated embodiment, the conical shape is a convex shape outward (FIG. 5B), and the temperature of the outer peripheral portion is increased, but other shapes shown in FIG. 5 are adopted. You can also.
<第七実施形態>
本実施形態は、上述した第一〜第六実施形態の構造を基本として、サセプタの周囲に、サセプタの基板搭載面と平行に遮熱板を配置したことを特徴とし、基板搭載面の温度分布の均一化をさらに向上したものである。
<Seventh embodiment>
This embodiment is based on the structure of the first to sixth embodiments described above, and is characterized in that a heat shield plate is arranged around the susceptor in parallel with the substrate mounting surface of the susceptor, and the temperature distribution of the substrate mounting surface Is further improved.
以下、本実施形態を第一実施形態のMOCVD装置に適用した装置を、図11及び図12を参照して説明する。図11は、本実施形態のMOCVD装置の全体概要を示す図、図12(a)、(b)は、ヒーター室の上面図および側面図である。図11及び図12において、第一実施形態と同一の要素は同一の符号で示している。 Hereinafter, an apparatus in which this embodiment is applied to the MOCVD apparatus of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a diagram showing an overall outline of the MOCVD apparatus of this embodiment, and FIGS. 12A and 12B are a top view and a side view of the heater chamber. In FIG.11 and FIG.12, the same element as 1st embodiment is shown with the same code | symbol.
本実施形態のMOCVD装置は、サセプタとそれを側面から加熱するヒーターとの間の構造に特徴があり、その他の構成は第一実施形態と同様であるので、以下、主として特徴部分を説明する。 The MOCVD apparatus of this embodiment is characterized by the structure between the susceptor and the heater that heats the susceptor from the side surface, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
サセプタ4は、円錐形を逆さにした形状を有し、円錐の底面に相当する上面が基板9を搭載する基板搭載面であり、基板9を載置するための凹部が形成されている。円錐の頂点に相当するサセプタ4の底面には、回転機構の回転軸が接続され、サセプタ4は回転軸を中心に回転することができる。
The
サセプタ4の底面より下側の回転軸の周囲には、円盤状の遮熱板61が複数枚、所定の間隔を持って配置されている。これら遮熱板61の機能は、ヒーター5の熱が外部に逃げるのを防止するものであり、ヒーター5の径と同じかそれ以上の径を有し、サセプタ4とヒーター5が置かれた空間をその外側から遮熱する。遮熱は、遮熱板61と遮熱板間に存在する空気層とを交互に配置することにより、効率よく行うことができ、上記観点から遮熱板の枚数、遮熱板の厚み及び遮熱板間の間隔即ち空気層の厚みが設計されている。具体的には、厚み0.2mm〜0.3mm程度の遮熱板61が0.5mm程度の間隔で2枚〜8枚配置されている。これら遮熱板61は、PBN、BN、Mo等の耐熱性があり且つ熱伝導性の良好な材料からなる。特に高温にさらされる最上段或いは最上段を含む上方の遮熱板6は耐腐食性の高いPBNからなることが好ましい。
Around the rotating shaft below the bottom surface of the
またヒーター5と遮熱板61を取り囲むように円筒状の遮熱板63が配置されている。この遮熱板63の機能もサセプタ4下側に配置された遮熱板61と同様に、サセプタ4及びヒーター5が置かれた空間をその外側から遮熱することであり、1枚〜3枚が同心円状に0.2mm程度の間隔を持って配置されている。これら円筒状の遮熱板63は、フローチャンネル3の底板に上記間隔となるように固定されている。また円盤状の遮熱板61は、最も内側の遮熱板63に固定されている。
A cylindrical
ヒーター5は、図3(a)〜(c)に示すような、概略円筒形状のヒーターからなり、円筒の高さは、サセプタ4の基板搭載面から底面まで高さ(即ちサセプタ4の最大厚み)とほぼ同じであり、実質的にサセプタ4の側面を覆い、側面からサセプタ4を加熱するように構成されている。
The
ヒーター5で囲まれた円筒状の空間55は、サセプタ4裏面の逆円錐形状を凹部とする空間であり、この空間に複数のドーナツ状の遮熱板65が、その主平面が基板搭載面と平行となるように配置されている。複数の遮熱板65は、いずれも外径は同一であるが、内径はサセプタ4の径の変化に対応して異なり、サセプタ4の底面側で小さく、基板搭載面に近づくにつれ大きくなる。
A
これらドーナツ状の遮熱板65は、空間55を複数のゾーンに分割し、各ゾーンにおいてヒーター5からサセプタ4の側面に向かう輻射熱の方向を制御するものであり、上述した遮熱板61、63とは異なる機能を有する。遮熱板65の機能を、図13を参照して説明する。図13の(a)は遮熱板を設けていない場合(第一実施形態)、(b)は遮熱板を設けた場合を示し、それぞれ中央にヒーター5とサセプタ4を含む装置の構造図を示し、その上に基板搭載面における温度分布、下にヒーターからの輻射熱の広がりを示している。また上記構造、温度分布及び輻射熱の挙動は、サセプタ4の中心について対称であるため、図13では、サセプタ4の中心から片側(左側)のみを記載し、他の片側(右側)の図示を省略している。
These donut-shaped
図13(a)に示すように、円筒状のヒーター5から発した輻射熱は円筒の中心部に向かう。ここでは、図3(a)に示すような円筒の軸方向に加熱部分が三分割されたヒーターを用いた場合を示しており、このヒーター5の分割に対応して、ヒーター5とサセプタ4との間の空間を基板搭載面と平行に領域分けした場合、ヒーター5から基板搭載面と平行な方向に進む輻射熱の量は上段、中段、下段で同じである。しかし、ヒーター5からの輻射熱は、図13(a)の下図に示すように、ランバーシャン放射するため、中段には上段及び下段の両方からの輻射熱が集熱される。一方、上段及び下段は、それぞれ、その段の輻射熱に対し中段からの輻射熱のみが加わるので、中段に比べ集熱する熱量が少ない。その結果、サセプタ4の側面が受ける熱は、サセプタ4の周辺および中心付近が相対的に少なく、それらの中間が相対的に多くなる。その結果、図13(a)の上図に示すように、基板搭載面では中周部で温度が高い温度分布となる。なお図13の温度分布は、説明のために誇張したものであり、実際には図10(c)に示す温度分布に近い分布となる。
As shown to Fig.13 (a), the radiant heat emitted from the
これに対し図13(b)に示すように遮熱板65を配置した場合には、ヒーター5とサセプタ4との間の空間55が遮熱板65によってゾーンに分割されているので、ヒーター5から放射される輻射熱は、上下方向への広がりが抑制されゾーン内に留まり、図13(a)のような中段への集熱は生じない(図13(b)の下図)。その結果、サセプタ4の側面(底面)はゾーン毎にほぼ同一の受熱量となる。一方、サセプタ4の受熱面は下段に向かうにつれ小さくなるため単位面積当たりの受熱量は下段(サセプタ4底面)に向かうにつれ小さくなるが、基板搭載面までの距離はサセプタ中央部から周辺部に向かって小さくなるので、単位面積当たりの受熱量の増加と距離による熱損失とが相殺され、結果として、図13(b)の上図に示すように、サセプタ4の基板搭載面に到達する熱量は中央部と周辺部でほぼ均一になる。
On the other hand, when the
遮熱板65の材料としては、BN、PBN等を用いることができるが、遮熱板61や遮熱板63よりもさらに高温にさらされるので、PBNが好適である。遮熱板65の厚みは、空間を領域分けする機能及び機械的強度を保つために、0.1mm〜0.3mm程度とすることが好ましい。遮熱板65の枚数は、サセプタ4の径や厚み(基板搭載面から底面までの距離)によっても異なるが、遮熱板65の枚数が多すぎてその間隔が狭くなるとヒーター5からの熱の利用効率を低下させる可能性があるので、遮熱板間の間隔が下側に配置される遮熱板61間の間隔以下となるような数を配置することが好ましい。具体的には、1〜8枚程度を2mm〜数mmの間隔で配置することが好ましい。
BN, PBN, or the like can be used as the material of the
遮熱板65を固定する構造の例を図14及び図15に示す。両図において、(a)はヒーター及びサセプタを上面から見た図、(b)はヒーターの側面及び遮熱板の上面図、(c)は支持構造を模式的に示す側断面図である。図14に示す例では、ヒーター5として、図3(a)に示す横式発熱体を備えたヒーターを用いており、ヒーター5を構成する各段の発熱体に遮熱板65を載せた支持構造である。このため遮熱板65は、ヒーター5とほぼ同じかやや大きい外径を有し、各段の発熱体の接続部に相当する外周の一部を切り欠いた形状を有している。この支持構造では、ヒーター5の発熱体の段数に合わせたゾーン分割ができ、且つ簡易な支持構造である、という利点がある。
An example of a structure for fixing the
図15に示す例は、ヒーター5として、図3(b)に示す縦式発熱体を備えたヒーターを用いており、ヒーター5の内径とほぼ同じ外径を有する遮熱板65(複数)を所望の間隔となるように、図示しない連結具で連結した構造である。この連結具は、下側の遮熱板61を連結する連結具と一体のものでもよいし、それとは独立したものでもよく、直接或いは間接的に反応容器内に固定される。この支持構造は、遮熱板とは別に連結具が必要となるが、ゾーン分割の自由度が高いという利点がある。
In the example shown in FIG. 15, a heater provided with the vertical heating element shown in FIG. 3B is used as the
本実施形態によれば、ヒーター5とサセプタ4側面との間の空間を複数のゾーンに分割する遮熱板65を配置したことにより、ゾーンを超えて放射状に広がる輻射熱の移動を抑制し、中央部への集熱を抑制し、サセプタ40側面の受熱量をゾーン毎にほぼ均等にすることができる。これによりサセプタ側面の面積による受熱量の増加効果(減少効果)と側面から上面までの距離による伝導熱量の減少効果(増加効果)をバランスさせて、基板搭載面において温度分布の均一性を向上することができる。
According to this embodiment, by arranging the
以上、第七実施形態を、第一実施形態の半導体製造装置に適用した場合を説明したが、本実施形態は、ヒーター5の内側であってサセプタ4との間の空間に、遮熱板65を配置したことが特徴であり、この特徴を第二〜第五実施形態のサセプタに適用することも可能である。例えば、サセプタの形状は、逆円錐形状のみならず、図5(b)〜(e)に示すような種々の形状を取ることができ、また図6に示すようにサセプタの周辺部の下側にヒーター5を配置した構造を採用することも可能である。
As described above, the case where the seventh embodiment is applied to the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment has been described. However, in the present embodiment, a
<第八実施形態>
本実施形態の半導体製造装置は、上述した第七実施形態の特徴に加えて、サセプタに熱を誘導するための溝を設けたことが特徴であり、基板搭載面の温度均一化のさらなる向上を図るものである。以下、本実施形態を第一実施形態のMOCVD装置に適用した装置を、図16及び図17を参照して説明する。
<Eighth embodiment>
In addition to the features of the seventh embodiment described above, the semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment is characterized in that a groove for inducing heat is provided in the susceptor, which further improves temperature uniformity on the substrate mounting surface. It is intended. Hereinafter, an apparatus in which this embodiment is applied to the MOCVD apparatus of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
図16は、本実施形態のMOCVD装置の全体概要を示す図、図17(a)、(b)は、ヒーター室の上面図および側面図である。図16及び図17において、第一及び第七実施形態と同一の要素は同一の符号で示している。 FIG. 16 is a diagram showing an overall outline of the MOCVD apparatus of this embodiment, and FIGS. 17A and 17B are a top view and a side view of the heater chamber. 16 and 17, the same elements as those in the first and seventh embodiments are denoted by the same reference numerals.
本実施形態のMOCVD装置も、サセプタ40は概ね逆円錐形の形状を有し、円錐の底面である面に基板搭載面が形成されるととともに、サセプタ40の側面を取り囲むように円筒形状のヒーター5が配置されている。サセプタ40及びヒーター5を囲んで、外部と熱を遮断する遮熱板61、63が配置されると共に、サセプタ40とヒーター5との間に、ドーナツ状の遮熱板65が備えられている。遮熱板61、63、65の材料、サイズ、枚数及び固定方法等は第七実施形態と同様である。
Also in the MOCVD apparatus of this embodiment, the
サセプタ40は、この遮熱板65の配置に対応して、側面(底面)から垂直方向に延びる円筒状の溝41が形成されている。溝41は、サセプタ40の側面が受けた熱が基板搭載面に伝達される際に、熱の移動を垂直方向に誘導するために設けられる。サセプタ40内を伝導する熱も、ヒーター5からの輻射熱と同様に放射状に広がるため、溝がない場合にはサセプタ中心部では周辺部より熱が集まりやすい。溝を設けることにより、遮熱板65によってゾーン毎に均一化された受熱量をそのまま垂直方向に向かわせ基板搭載面に伝導することができる。このため溝41は、サセプタ40の、遮熱板65の内周端部に対応する位置、正確には、遮熱板65の板面の延長線がサセプタ40に当接する位置から、サセプタ上面から所定の深さの位置まで垂直に延びることが好ましい。
The
溝41の数、深さ及び幅は、サセプタの強度を考慮して適切な範囲に決めることが好ましく、溝41の数は遮熱板65の数と同数かそれより少ない数形成される。図示する例では、サセプタ底面に位置する遮熱板65から数えて6枚の遮熱板65が配置され、サセプタの強度を保つために、1枚目と6枚目の遮熱板に対応する位置には溝を設けずに2枚目から5枚目の4枚の遮熱板65に対応する位置に4つの溝41を形成している。配置される遮熱板の数が少ない場合には、遮熱板と同数の溝を設けることも可能である。溝41の深さは、溝を複数形成する場合にはサセプタ上面から溝の底までの距離が一定であることが好ましく、その距離はサセプタの強度を保つことができる範囲であればよく、サセプタの高さ(上面から底面までの厚み)の20〜30%程度が好ましい。一例として、図16に示すような、径60mm、逆円錐部の高さ15mm、円筒部の高さ2mmのサセプタの場合、サセプタ上面から溝の底部までの距離が3.5mm程度である。
The number, depth, and width of the
溝41は、上述したように、サセプタ40を垂直に分割することによって、サセプタ40における熱伝導の方向を垂直方向に制御するものであり、幅が広すぎるとサセプタ40の熱伝導を阻害する。このような観点から、径60mm、高さ17mmのサセプタの例で、溝41の幅は好ましくは0.2mm〜0.5mm、より好ましくは0.2mm〜0.3mm程度とする。
As described above, the
本実施形態によれば、ヒーター5からの輻射熱は、まず遮熱板65によって分割されたゾーン毎にほぼ均一な熱量がサセプタ40側面に到達する。サセプタ側面が受けた熱は伝導により上面側に広がるが、この際、サセプタ40は溝によって分割されたゾーンに対応する垂直な領域に分かれているので、この領域を垂直方向に熱伝導する。熱は溝の底部と基板搭載面との間で放射状に広がり、これにより熱伝導が殆どない溝の底部と熱伝導が行われたサセプタ部分との温度の差が解消されて、最終的にサセプタ40の上面の基板搭載面では均一な温度分布が得られる。
According to the present embodiment, the radiant heat from the
以上、本実施形態を第一実施形態の装置に適用した場合を説明したが、本実施形態も第七実施形態と同様に、第二〜第五実施形態の装置と組み合わせることが可能である。 The case where the present embodiment is applied to the apparatus of the first embodiment has been described above, but the present embodiment can be combined with the apparatuses of the second to fifth embodiments as in the seventh embodiment.
以上、本発明をフローチャンネル方式のMOCVD装置に適用した各実施形態を説明したが、本発明はフローチャンネル方式のMOCVD装置に限定されることなく、2フロー方式など種々の方式のMOCVD装置や、その他、MBE装置など基板を加熱して基板上に膜形成する半導体製造装置であれば適用することができる。 As described above, each embodiment in which the present invention is applied to a flow channel type MOCVD apparatus has been described. However, the present invention is not limited to the flow channel type MOCVD apparatus, and various types of MOCVD apparatuses such as a two-flow type, In addition, any semiconductor manufacturing apparatus that heats a substrate and forms a film on the substrate, such as an MBE apparatus, can be applied.
<実施例1、2>
図2に示すサセプタ構造(第一実施形態)を持つMOCVD装置及び図6に示すサセプタ構造(第六実施形態)を持つMOCVD装置を用いて、以下詳述するように、サファイア基板上にGaN層を結晶成長させて、図8に示す積層構造の結晶膜を形成した(実施例1、実施例2)。実施例1は、サセプタとして、基板搭載面の直径が60mm、基板を載置する凹部の直径が54mm、リム部の高さが2mm、円錐部の底面の直径が基板搭載面と同じで、高さが15mmである円錐形状のサセプタを用いた。実施例2は、サセプタとして、基板搭載面の直径が60mm、基板を載置する凹部の直径が54mm、リム部の高さが1mm、円錐部の底面の直径が54mmで高さが13mmのサセプタを用いた。
<Examples 1 and 2>
Using the MOCVD apparatus having the susceptor structure (first embodiment) shown in FIG. 2 and the MOCVD apparatus having the susceptor structure (sixth embodiment) shown in FIG. Were grown to form a crystal film having a laminated structure shown in FIG. 8 (Examples 1 and 2). In Example 1, as the susceptor, the diameter of the substrate mounting surface is 60 mm, the diameter of the concave portion on which the substrate is placed is 54 mm, the height of the rim portion is 2 mm, and the diameter of the bottom surface of the conical portion is the same as that of the substrate mounting surface. A conical susceptor having a length of 15 mm was used. In Example 2, the susceptor has a substrate mounting surface diameter of 60 mm, a recess mounting diameter of 54 mm, a rim portion height of 1 mm, a conical bottom surface diameter of 54 mm, and a height of 13 mm. Was used.
基板は、m軸方向に0.5°オフのc面サファイア(α−アルミナ)の単結晶基板(2インチ=50.8mm)を用い、有機金属材料としてTMG(トリメチルガリウム)、水素化物材料としてNH3を用いた。また反応開始から結晶成長まで、材料ガスの運搬ガス(キャリアガス)として、水素ガスを材料ガスと併せた流量が8L/分となるように材料ガス供給管21から流した。またパージガスとして、水素ガス:窒素ガス=1:1の混合ガスをパージガス供給管11、12から流量8L/分流した。
The substrate is a c-plane sapphire (α-alumina) single crystal substrate (2 inches = 50.8 mm) that is 0.5 ° off in the m-axis direction, TMG (trimethylgallium) as the organometallic material, and hydride material. NH 3 was used. Further, from the start of the reaction to crystal growth, hydrogen gas was supplied from the material
まず、材料ガス供給管22から、水素ガスと窒素ガスとを1:1に混合したガスを流量26L/分で供給し、サセプタ温度を1000℃、反応室内の圧力を100kPaにしてサファイア基板を10分間アニールした。
First, a gas in which hydrogen gas and nitrogen gas are mixed at a ratio of 1: 1 is supplied from the material
次いでサセプタ温度を550℃に下げて、圧力は同じ100kPaに保ち、材料ガス供給管22からTMGを30μmol/分、NH3を4L/分供給し、サファイア基板上に低温GaN層を20nm形成した。次にサセプタ温度を1050℃に上げて、圧力は同じ100kPaに保ち、低温GaN層を7分間アニールした。
Next, the susceptor temperature was lowered to 550 ° C., the pressure was kept at the same 100 kPa, TMG was supplied at 30 μmol / min and NH 3 was supplied at 4 L / min from the material
その後、サセプタ温度を1030℃にし、圧力は同じ100kPaに保ち、材料ガス供給管22からTMGを45μmol/分、NH3を4L/分供給し、低温GaN層の上に高温GaN層を1時間成長した。生成した高温GaN層の平均膜厚は、実施例1では、4.50μm、実施例2では、4.49μmであった。
Thereafter, the susceptor temperature is set to 1030 ° C., the pressure is kept at the same 100 kPa, TMG is supplied from the material
<比較例>
比較例として、図7に示すサセプタ構造のMOCVD装置を用いて実施例1、2と同じ条件でサファイア基板上にGaN層を結晶成長させた。図7に示す装置は、実施例1、2と同じ基板搭載面及び凹部の径を持つ平板状のサセプタ(厚さ5mm)を採用するとともに、サセプタの裏面側にヒーターを配置した構造であり、ヒーターの発熱面積は、実施例1及び2のヒーターの発熱面積と同じである。またサセプタ及びヒーターを除く構成は、実施例1、2のMOCVD装置と同様である。生成した高温GaN層の平均膜厚は、4.45μmであった。
<Comparative example>
As a comparative example, a GaN layer was grown on a sapphire substrate under the same conditions as in Examples 1 and 2 using the MOCVD apparatus having the susceptor structure shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 7 has a structure in which a flat plate-shaped susceptor (thickness: 5 mm) having the same substrate mounting surface and recess diameter as in Examples 1 and 2 is used, and a heater is disposed on the back side of the susceptor. The heat generation area of the heater is the same as the heat generation area of the heaters of Examples 1 and 2. The configuration excluding the susceptor and the heater is the same as that of the MOCVD apparatus of Examples 1 and 2. The average film thickness of the generated high-temperature GaN layer was 4.45 μm.
実施例及び比較例の装置について、サセプタ温度及び生成した高温GaN膜の膜厚T1〜T3を測定した。サセプタ温度の測定は、パイロメータを用いて、図9に示すように中心P3と、中心からそれぞれ12.5mm、25mm離れた2点P2、P1との合計3点で行った。その結果を表1に示す。 About the apparatus of an Example and a comparative example, susceptor temperature and film thickness T1-T3 of the produced | generated high temperature GaN film | membrane were measured. The susceptor temperature was measured using a pyrometer at a total of three points, as shown in FIG. 9, including a center P3 and two points P2 and P1 that are 12.5 mm and 25 mm away from the center, respectively. The results are shown in Table 1.
また温度測定を行った3点における高温GaN層の膜厚T1〜T3を測定した。膜厚の測定は、サファイア基板の屈折率(1.7)とGaN結晶の屈折率(2.4)との相違を利用して、白色光源を用いた反射干渉計を用いて行った。その結果を表2に示す。 Further, the film thicknesses T1 to T3 of the high-temperature GaN layer at three points where the temperature was measured were measured. The film thickness was measured using a reflection interferometer using a white light source, utilizing the difference between the refractive index of the sapphire substrate (1.7) and the refractive index of the GaN crystal (2.4). The results are shown in Table 2.
表1及び表2に示す結果からわかるように、比較例の装置ではサセプタ中心付近の温度が上がり、大きな温度分布が生じていた。このため生成された高温GaN層の膜厚にも大きなバラツキを生じた。これに対し、実施例1、2の装置ではサセプタ温度のバラツキは、それぞれ、13℃、16℃であり、比較例のばらつき29℃に比べ大幅に改善したことが確認された。また結晶の膜厚についても、比較例のバラツキが19.8%であったのに対し、実施例1で6.89%、実施例2で8.46%であり、膜厚分布の改善が認められた。 As can be seen from the results shown in Tables 1 and 2, in the comparative apparatus, the temperature near the center of the susceptor rose and a large temperature distribution was generated. For this reason, the thickness of the generated high-temperature GaN layer also varied greatly. On the other hand, in the apparatuses of Examples 1 and 2, the susceptor temperature variations were 13 ° C. and 16 ° C., respectively. Also, the film thickness of the comparative example was 19.8%, compared with 6.89% in Example 1 and 8.46% in Example 2, and the film thickness distribution was improved. Admitted.
本発明によれば、結晶膜厚のバラツキを抑制し、効率のよい結晶成長を行うことが可能な半導体製造装置が提供される。これによりLEDデバイスの品質及び歩留まりを向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor manufacturing apparatus which can suppress the variation in crystal film thickness and can perform efficient crystal growth is provided. Thereby, the quality and yield of the LED device can be improved.
1・・・反応容器、2・・・ガス供給管、21・・・第1ガス供給管、22・・・第2ガス供給管、3・・・フローチャンネル、4、40・・・サセプタ、5・・・ヒーター、6・・・遮熱板、7・・・回転機構、8・・・隔壁、9・・・基板、10(11、12)・・・パージガス供給管、13・・・排気管、・・・サセプタ、41・・・溝、55・・・空間(サセプタとヒーターとの間の空間)、61、63、65・・・遮熱板。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記サセプタは、前記基板を搭載する面(基板搭載面)と垂直な方向の厚みが、前記基板搭載面の中心部から周辺部に向かって薄くなる形状を有することを特徴とする半導体製造装置。 A semiconductor manufacturing apparatus comprising: a reaction chamber; a susceptor that is installed in the reaction chamber and on which a substrate is mounted; and a heating unit that heats the susceptor from a side surface,
The susceptor has a shape in which a thickness in a direction perpendicular to a surface (substrate mounting surface) on which the substrate is mounted becomes thinner from a central portion to a peripheral portion of the substrate mounting surface.
前記加熱手段は円筒形状を有し、円筒の軸方向の長さが前記サセプタの最大厚み以上であることを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1,
2. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means has a cylindrical shape, and the axial length of the cylinder is equal to or greater than the maximum thickness of the susceptor.
前記サセプタは、前記基板搭載面の中心を通り、前記基板搭載面に垂直な断面の形状が三角形であることを特徴とする半導体製造装置。 In the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1 or 2,
The semiconductor manufacturing apparatus, wherein the susceptor has a triangular cross section passing through the center of the substrate mounting surface and perpendicular to the substrate mounting surface.
前記サセプタは、前記基板搭載面と反対側の面を裏面とするとき、前記基板搭載面の中心を通り、前記基板搭載面に垂直な断面において、前記裏面の中心とサセプタ周辺側端部とを結ぶ辺が曲線であることを特徴とする半導体製造装置。 In the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1 or 2,
When the surface opposite to the substrate mounting surface is the back surface, the susceptor passes through the center of the substrate mounting surface and in a cross section perpendicular to the substrate mounting surface, the center of the back surface and the susceptor peripheral side end portion A semiconductor manufacturing apparatus characterized in that a side to be connected is a curve.
前記加熱手段は円筒形状を有し、前記サセプタの側面の外側に配置されていることを特徴とする半導体製造装置。 In the semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating unit has a cylindrical shape and is disposed outside a side surface of the susceptor.
前記加熱手段は円筒形状を有し、少なくとも一端の径が前記サセプタの径以下であって、前記サセプタ周辺部の裏面側に近接して配置されていることを特徴とする半導体製造装置。 In the semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means has a cylindrical shape, and has a diameter at least one end equal to or smaller than the diameter of the susceptor, and is disposed close to the back surface side of the susceptor peripheral portion.
前記加熱手段は円筒形状を有し、内面の面積が前記サセプタの基板搭載面の面積と実質的に等しいことを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means has a cylindrical shape, and an area of an inner surface is substantially equal to an area of a substrate mounting surface of the susceptor.
前記加熱手段は径が一定であることを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 2,
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means has a constant diameter.
前記加熱手段と前記サセプタとの間に、前記基板搭載面と平行して、1ないし複数の遮熱板を配置したことを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1,
One or more heat shield plates are arranged between the heating means and the susceptor in parallel with the substrate mounting surface.
前記サセプタの裏面であって、前記基板搭載面からの厚みが最大である部分を底部としたとき、前記遮熱板は前記底部と前記基板搭載面との間に配置されることを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1,
When the back surface of the susceptor having a maximum thickness from the substrate mounting surface is a bottom portion, the heat shield plate is disposed between the bottom portion and the substrate mounting surface. Semiconductor manufacturing equipment.
前記サセプタの底部から外側に、複数の第二遮熱板を備え、
前記加熱手段と前記サセプタとの間に配置された複数の遮熱板の間隔は、前記複数の第二遮熱板の間隔より広いことを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 9 or 10,
A plurality of second heat shields are provided on the outside from the bottom of the susceptor,
2. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a distance between the plurality of heat shield plates arranged between the heating means and the susceptor is wider than a distance between the plurality of second heat shield plates.
前記サセプタは、前記基板搭載面と垂直な方向に、1ないし複数の溝が形成されていることを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 9 to 11,
The semiconductor manufacturing apparatus, wherein the susceptor has one or more grooves formed in a direction perpendicular to the substrate mounting surface.
前記サセプタの溝は、前記加熱手段と前記サセプタとの間に配置された遮熱板の板面の延長線が当接する位置から、前記基板搭載面と垂直な方向に伸びて形成されていることを特徴とする半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 12,
The groove of the susceptor is formed to extend in a direction perpendicular to the substrate mounting surface from a position where an extension line of the plate surface of the heat shield plate disposed between the heating means and the susceptor abuts. A semiconductor manufacturing apparatus.
前記サセプタの溝は円筒状であることを特徴とする半導体製造装置。
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 12 or 13,
The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the groove of the susceptor is cylindrical.
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