JP2013225571A - Vapor growth device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気相成長装置に関するものであり、特に青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードや紫色レーザダイオードの材料となる化合物半導体薄膜を気相成長させるための気相成長装置に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and more particularly to a vapor phase growth apparatus for vapor phase growth of a compound semiconductor thin film used as a material of a blue light emitting diode, a green light emitting diode, or a violet laser diode.
サセプタに保持された基板を所定温度に加熱した状態で反応室内に原料ガスを供給し、基板の表面に化合物半導体膜を形成する(結晶を成長させる)気相成長方法が用いられている。例えば、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードや紫色レーザダイオードの材料となるGaN系半導体薄膜は、原料として有機金属を用いるMOCVD法により製造される。 A vapor phase growth method is used in which a source gas is supplied into a reaction chamber while a substrate held by a susceptor is heated to a predetermined temperature, and a compound semiconductor film is formed on the surface of the substrate (a crystal is grown). For example, a GaN-based semiconductor thin film used as a material for blue light-emitting diodes, green light-emitting diodes, and violet laser diodes is manufactured by MOCVD using an organic metal as a raw material.
MOCVD法では、気相状態で原料ガスを反応領域まで運び、反応領域で結晶を成長させたり、成長させる結晶と同じ化学組成をもった多結晶等の原料を気体にして反応領域まで運び、成長させる。上記原料ガス(プロセスガス)としては、原料と、該原料を運ぶための気体であるキャリアガスとが混合された混合ガスを用いる。 In the MOCVD method, a source gas is transported to the reaction region in a gas phase state, and a crystal is grown in the reaction region, or a polycrystalline material having the same chemical composition as the crystal to be grown is gasified and transported to the reaction region for growth. Let As said source gas (process gas), the mixed gas with which the raw material and the carrier gas which is gas for conveying this raw material were mixed is used.
GaN系半導体薄膜を成膜する気相成長装置としては、チャンバーの中央に配置されたノズルから、有機金属及びアンモニアからなる原料ガスと、水素または窒素からなるキャリアガスを全方位の外周方向に供給し、ノズルの外周に配置した4インチ〜8インチ径のサファイアまたはシリコンからなる複数の基板上に、一度に半導体薄膜を気相成長させる自公転型MOCVD装置が知られている。 Vapor phase growth equipment for depositing GaN-based semiconductor thin films supplies a source gas consisting of organic metal and ammonia and a carrier gas consisting of hydrogen or nitrogen in all directions from a nozzle located in the center of the chamber. A self-revolving MOCVD apparatus is known in which a semiconductor thin film is vapor-phase grown at a time on a plurality of substrates made of sapphire or silicon having a diameter of 4 to 8 inches arranged on the outer periphery of a nozzle.
このような自公転型MOCVD装置として、例えば特許文献1には、チャンバー内に、中空駆動軸に支持されて回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、サセプタの外周方向にそれぞれ回転可能に設けられた複数の基板設置部と、反応領域を形成するフローチャンネルに原料ガスとパージガスとを導入するノズルと、中空駆動軸の内部に同軸に設けられた原料ガス管およびパージガス管と、ノズルと原料ガス管およびパージガス管とで形成されたガス流路と、を備えた気相成長装置が開示されている。
As such a self-revolving MOCVD apparatus, for example, in
特許文献1に開示されている自公転型MOCVD装置では、原料ガスとパージガスとがチャンバー中央部に設けられたノズルから外周方向のフローチャンネルに導入される。ノズルは、例えばステンレス製で3層構造となっており、最下層にはアンモニアと水素と窒素との混合ガス、中央層には有機金属と水素とアンモニアとの混合ガス、最上層には窒素のみあるいは窒素と水素とからなるパージガスが流れる流路を形成している。この構造により、原料ガス供給管から原料ガス導入ノズルを介してフローチャンネル内に導入される原料ガスの流量がチャンバーの半径方向で均一になる。
In the self-revolving MOCVD apparatus disclosed in
また、特許文献2には、気相成長装置におけるサセプタと外囲部との間に設けられた仕切板およびサセプタの中心を貫通するように形成され、かつ、その気相成長質にある部分および仕切板を越えて上方に延長した部分のそれぞれに、サセプタに対して平行方向にガスを吹き出すためのガス吹き出し用小孔を設けた気相成長装置用ノズルが開示されている。
Further, in
自公転型MOCVD装置の重要な性能として、半導体薄膜の成膜速度が挙げられる。特に、半導体薄膜を量産するような量産型自公転型MOCVD装置にとっては重要な性能である。
従来の自公転型MOCVD装置においては、プロセスガスがノズルから吹き出され、フローチャンネルに導入される。このとき、ノズルの吹き出し部の形状(ノズルの形状)によってはフローチャンネルに流入するプロセスガスの流量もしくは流速がフローチャンネルの周方向で差を生じる場合がある。
また、従来の自公転型MOCVD装置においては、ノズルがサセプタを支持する中空駆動軸に接合していることにより、ノズルとサセプタの回転が同期していた。このため、成膜中は、サセプタに載置された基板と、プロセスガスが吹き出されるノズルの吹き出し部との周方向における位置関係は不変であった。その結果、ノズルの吹き出し部の形状の不均一さに起因したプロセスガスの流量もしくは流速のばらつきが周方向で生じて、サセプタの外周方向に載置した複数の基板間における半導体薄膜の成膜速度のばらつきが大きくなってしまう問題があった。
An important performance of the self-revolving MOCVD apparatus is the deposition rate of the semiconductor thin film. In particular, this is an important performance for a mass production type revolving MOCVD apparatus for mass production of semiconductor thin films.
In a conventional self-revolving MOCVD apparatus, a process gas is blown from a nozzle and introduced into a flow channel. At this time, depending on the shape of the nozzle blowing portion (nozzle shape), the flow rate or flow velocity of the process gas flowing into the flow channel may cause a difference in the circumferential direction of the flow channel.
Further, in the conventional self-revolving MOCVD apparatus, the rotation of the nozzle and the susceptor is synchronized because the nozzle is joined to the hollow drive shaft that supports the susceptor. For this reason, during the film formation, the positional relationship in the circumferential direction between the substrate placed on the susceptor and the blowing portion of the nozzle through which the process gas is blown is unchanged. As a result, the process gas flow rate or flow rate variation due to non-uniformity in the shape of the nozzle blowing portion occurs in the circumferential direction, and the semiconductor thin film deposition rate between the plurality of substrates placed in the outer circumferential direction of the susceptor There has been a problem that the variation of the size becomes large.
そこで本発明は、サセプタの外周方向に載置した複数の基板間での半導体薄膜の成膜速度のばらつきを抑えることが可能な気相成長装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus that can suppress variations in the deposition rate of a semiconductor thin film between a plurality of substrates placed in the outer peripheral direction of a susceptor.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明によれば、チャンバー内に載置した複数の基板上に、化学気相成長により薄膜を成膜するための気相成長装置であって、チャンバーと、前記チャンバーの中央に設けられた中空回転機構と、前記中空回転機構の上端部に支持されて回転可能に設置された環状のサセプタと、前記サセプタの上面と相互に間隔をあけて対向して配置され、前記サセプタとともにプロセスガス流路を区画形成する対向板と、前記中空回転機構の上方に配置されて、プロセスガスを前記プロセスガス流路の前記サセプタ中央側から外周側に向けて吹き出させるノズルと、を有し、前記中空回転機構により前記サセプタを前記ノズルと非同期に回転させることを特徴とする気相成長装置が提供される。
なお、非同期とは、ノズルのサセプタに対する相対回転速度、もしくは相対回転方向の いずれか一方、または両方を異ならせることをいう。
In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, there is provided a vapor phase growth apparatus for forming a thin film by chemical vapor deposition on a plurality of substrates placed in a chamber. And a hollow rotating mechanism provided at the center of the chamber, an annular susceptor that is rotatably supported by the upper end of the hollow rotating mechanism, and an upper surface of the susceptor, with a space therebetween. And a counter plate that defines a process gas flow path together with the susceptor, and is disposed above the hollow rotation mechanism to blow process gas from the susceptor center side of the process gas flow path toward the outer peripheral side. There is provided a vapor phase growth apparatus characterized in that the susceptor is rotated asynchronously with the nozzle by the hollow rotation mechanism.
Asynchronous means that either one or both of the relative rotational speed and the relative rotational direction of the nozzle to the susceptor are made different.
また、請求項2に係る発明によれば、前記ノズルが回転停止状態に固定され、前記サセプタのみが回転することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置が提供される。
According to the invention of
また、請求項3に係る発明によれば、前記ノズルにノズル回転機構が備えられ、前記ノズル回転機構により前記ノズルが前記サセプタと同方向に回転するとともに、前記サセプタの回転速度と前記ノズルの回転速度が異なることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置が提供される。
According to the invention of
また、請求項4に係る発明によれば、前記ノズルにノズル回転機構が備えられ、前記ノズル回転機構により前記ノズルが前記サセプタと逆方向に回転することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, the nozzle includes a nozzle rotation mechanism, and the nozzle rotation mechanism rotates the nozzle in a direction opposite to the susceptor. A phase growth apparatus is provided.
また、請求項5に係る発明によれば、前記サセプタの回転速度と前記ノズルの回転速度とが異なることを特徴とする請求項4に記載の気相成長装置が提供される。
According to the invention of
本発明の気相成長装置においては、サセプタはノズルと非同期に回転する。これにより、半導体薄膜の成膜中は、サセプタに設置された基板と、ノズルのプロセスガスの吹き出し部分との位置関係が常に変動する。その結果、ノズルの開口形状の不均一さに起因したプロセスガスの流速のばらつきが外周方向で平均化され、基板間における半導体薄膜の成膜速度のばらつきを小さくすることができる。 In the vapor phase growth apparatus of the present invention, the susceptor rotates asynchronously with the nozzle. As a result, during the deposition of the semiconductor thin film, the positional relationship between the substrate placed on the susceptor and the process gas blowing portion of the nozzle always varies. As a result, the variation in the flow rate of the process gas due to the nonuniformity of the nozzle opening shape is averaged in the outer peripheral direction, and the variation in the deposition rate of the semiconductor thin film between the substrates can be reduced.
以下、本発明を適用した気相成長装置について、図1及び図2を参照しながら説明する。また、図1及び図2においては、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、および厚みの比率等は実際のものと同一とは限らない。 Hereinafter, a vapor phase growth apparatus to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Moreover, in FIG.1 and FIG.2, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted. The drawings used in the following description are schematic, and the length, width, thickness ratio, and the like are not necessarily the same as the actual ones.
(第1実施形態)
本発明を適用した気相成長装置の一例として、図1に示すMOCVD装置(気相成長装置)100の構成について、説明する。
(First embodiment)
As an example of a vapor phase growth apparatus to which the present invention is applied, the configuration of an MOCVD apparatus (vapor phase growth apparatus) 100 shown in FIG. 1 will be described.
本実施形態のMOCVD装置100は、チャンバー1と、中空回転機構をなす中空シャフト2と、サセプタ3と、対向板4と、プロセスガス供給管5と、ノズル16(後に詳しく説明する)と、を有する。
The
チャンバー1は、化学気相成長により基板上に半導体薄膜を成膜するための反応炉である。例えば、チャンバー1は、図1に示すように、反応炉の蓋である上部チャンバー1Aと、反応炉の容器である下部チャンバー1Bと、を有する。
上部チャンバー1Aは、成膜中は下部チャンバー1Bに密着しているが、成膜間における基板50やサセプタ3の脱着時は図示略の上部チャンバー駆動機構により上方に持ち上げられる。
下部チャンバー1Bは固定されている。また、下部チャンバー1Bは、上部チャンバー1Aとの密着時に、MOCVD法による半導体薄膜の成膜が行われる空間を形成する凹部を有する。また、下部チャンバー1Bには、図1に示すようなサセプタ昇降機構12が設けられている。サセプタ3の着脱時には、サセプタ昇降機構12により、サセプタ3が下部チャンバー1Bの上面より上方に持ち上げられた後、着脱される。なお、サセプタ昇降機構12は省略してもよい。
The
While the
The
チャンバー1の材質には、耐食性に優れたステンレスを用いることができる。
なお、チャンバー1は、窒素雰囲気に保たれたグローブボックス内に設置される場合がある。
As the material of the
The
中空シャフト2は、回転可能な状態でチャンバー1の中央に設けられ、サセプタ3に接続されている。具体的には、図1に示すように、中空シャフト2は下部チャンバー1Bの底面中央から上下方向に突出して設けられている。中空シャフト2には図示略の回転機構が接続されており、中空シャフト2を回転させることでサセプタ3を回転できるようになっている。
中空シャフト2の材質には、ステンレスを用いることができる。
The
Stainless steel can be used as the material of the
サセプタ3は、環状の平面部材であり、中空シャフト2の上端部2aに支持されて回転可能に設置されている。具体的には、図1に示すように、サセプタ3の内周部分が中空シャフト2の上端2aに接合している。このような構成により、成膜中には、中空シャフト2の回転により、サセプタ3が下部チャンバー1Bの凹部空間内で回転する。
サセプタ3の材質には、例えばカーボンを用いることができる。また、サセプタ3の材質にカーボンを用いる場合には、カーボンに石英からなるカバー(図示略)が設けられる。
The
For example, carbon can be used as the material of the
サセプタ3には、周方向に間隔を隔てて複数の開口部7が設けられている。開口部7は等間隔に設けてもよく、非等間隔に設けてもよい。また、開口部7の数も特に限定されないが、開口部7(開口部7に載置する基板50の直径)が大きいと、開口部7が小さい場合に比べ、一度に半導体膜を大量に成膜できる。本発明を適用したMOCVD装置100においては、後述するように、ノズル16(図2参照)の外周方向の形状の不均一さに起因する原料ガスの流速のばらつきが平均化される。そのため、周方向における開口部7の設置間隔に係わらず、開口部7に載置する基板間の半導体薄膜の成膜速度のばらつきが低減される。
The
サセプタ3に設けられた開口部7には、図示略のステージが回転可能に設けられる場合がある。具体的には、開口部7に、自転用モータ、あるいは歯車部材等の回転機構が設けられる。ステージは、開口部7に設けられた回転機構に嵌合されることにより、サセプタ3上で回転する。
A stage (not shown) may be rotatably provided in the
基板50は、成膜面50aを上にしてサセプタ3の周方向に設置される。具体的には、基板50は、各開口部7のステージ上に載置される。
また、例えば、サセプタ3を回転させる(公転させる)とともに、サセプタ3の回転に伴って基板50が載置されるステージを開口部7に設けられた図示略の回転機構により基板50を回転させ(自転させ)ると、基板50を自公転させることができる。
成膜中に基板50を回転させれば、複数の基板50に対して均一な厚さの半導体薄膜を形成する1つの手段となり量産に対応することができる。また、基板50の直径を大きくする(大口径化する)ことで量産に対応することもできる。
The
Further, for example, the
If the
基板50の材料は、成膜する半導体薄膜の原料に適合するように、また、半導体膜の用途に応じて適宜選択される。例えば、成膜する半導体薄膜が窒化ガリウムである場合には、サファイア基板、あるいはシリコン基板を用いることができる。
また、基板50としては、例えば、直径4インチ〜8インチの半導体基板を用いることができる。ステージ及び開口部7の直径は、基板50の直径より若干大きく設定されるため、ステージ、サセプタ3、チャンバー1の大きさは、基板50の大きさによって決まる。基板50の直径が大きくなる程、ステージ、サセプタ3、チャンバー1が大きくなり、MOCVD装置100が大型化する。
The material of the
As the
チャンバー1には、加熱手段8が設けられる。具体的には、図1に示すように、サセプタ3の開口部7の下方に電熱ヒータ等が設置される。MOCVD法は、プロセスガスを気相で反応領域まで運び、反応領域において原料(有機金属)に熱エネルギーを与え、該熱エネルギーを与えられた原料(有機金属)が熱分解反応することで、基板50の成膜面50aに結晶を成長させる方法である。反応領域においては、プロセスガス流路15内の基板50上方および基板50の成膜面50a付近で最も反応が活発である。
The
対向板4は、サセプタ3の上面3aと相互に間隔をあけて対向して配置されている。具体的には、図1に示すように、上部チャンバー1Aの底部に支持されて設けられている。また、対向板4は、サセプタ3とともにプロセスガス流路15を区画形成する。
対向板4には、図1に示すような対向板昇降機構9が設けられている。これにより、対向板4の高さを調整することができる。対向板4の高さが調整されることにより、ノズル6からプロセスガスが導入されるプロセスガス流路15の高さが調整される。なお、対向板昇降機構9は省略してもよい。
対向板4の材質には、石英を用いることができる。
The facing
The
Quartz can be used as the material of the
プロセスガス供給管5は、図1に示すように、中空シャフト2の中部に挿入されて、その先端がチャンバー1内に達している。
また、プロセスガス供給管5は、図2のように多重管構造を有している。すなわち、内管5Aと外管5Bで構成されている。外管5Bは、中空シャフト2の内管から離間しており、中空シャフト2と外管5Bとの間に隙間が設けられている。この隙間が後述するアンモニアガス供給路11Aとなる。また、内管5Aの内部がパージガス供給路13となり、内管5Aと外管5Bとの間の隙間が有機金属ガス供給路11Bとなる。
As shown in FIG. 1, the process
The process
成膜する半導体薄膜が窒化ガリウムである場合には、化学気相成長における原料として、有機金属とアンモニアを用いる。これらの原料はそれぞれ、有機金属ガス供給路11Bと、アンモニアガス供給路11Aと、を介してチャンバー1内に供給される。
常温では液体又は固体である有機金属は、水素、窒素等をキャリアガスに用いた恒温下でのバブリングにより、半導体薄膜の成膜に充分な量の有機金属ガスとして生成される。
When the semiconductor thin film to be formed is gallium nitride, an organic metal and ammonia are used as raw materials in chemical vapor deposition. These raw materials are respectively supplied into the
An organic metal that is liquid or solid at normal temperature is generated as a sufficient amount of organometallic gas for forming a semiconductor thin film by bubbling under constant temperature using hydrogen, nitrogen or the like as a carrier gas.
有機金属ガス供給路11Bには、プロセスガス供給管5の下部のプロセスガス導入部5dより、バブリングにて生成された有機金属ガスと、水素と窒素からなるキャリアガスとの混合ガスが導入される。また、アンモニアガス供給路11Aには、アンモニアガスとキャリアガスとの混合ガスが導入される。
また、有機金属ガス供給路11Bとアンモニアガス供給路11Aとを区画する外管5Bの内部には、アンモニアガス供給路11A、有機金属ガス供給路11Bの温度を調整するための温度調整流体を流通させる温度調整流路14が設けられている。なお、温度調整流路14は省略してもよい。
A mixed gas of an organic metal gas generated by bubbling and a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen is introduced into the organic metal
In addition, a temperature adjusting fluid for adjusting the temperatures of the ammonia
パージガス供給路13には、プロセスガス導入部5dよりパージガスが導入される。パージガスは、中空シャフト2とプロセスガス供給管5との間の空隙からチャンバー1内に不純物が侵入する、あるいは、チャンバー1から原料ガスが外部に漏れることを防ぐ。
前述のように、原料ガスとして有機金属ガスとアンモニアガスが用いられる場合、パージガスとしては、例えば窒素を用いることができる。
MOCVD装置100におけるプロセスガスとは、上記の原料ガス、キャリアガス等、半導体薄膜の化学気相成長による成膜を行うために用いられるガスのことをいう。
A purge gas is introduced into the purge gas supply path 13 from the process
As described above, when an organic metal gas and an ammonia gas are used as the source gas, for example, nitrogen can be used as the purge gas.
The process gas in the
内管5Aは、その先端部5A1が対向板4に平行になるように折り曲げられてプロセスガス流路15に向けられている。同様に、外管5Bは、その先端部5B1が内管5Aの先端部5A1に沿って折り曲げられてプロセスガス流路15に向けられている。これにより、プロセスガス供給管5を通じてチャンバー1に向けて上昇してきた各ガスがそれぞれプロセスガス流路15に向けて供給されるようになっている。
The
より具体的には先端部5A1と対向板4との間には、パージガス供給路13に連通する隙間が設けられており、この隙間のプロセスガス流路15側にパージガスノズル16aが形成されている。また、内管5Aと外管5Bとの間の有機金属ガス供給路11Bが、各先端部5A1,5B1によってプロセスガス流路15に向けられており、この有機金属ガス供給路11Bの出口が有機金属ガスノズル16bとなっている。さらに、先端部5B1とサセプタ3との間には、アンモニアガス供給路11Aに連通する隙間が設けられており、その隙間のプロセスガス流路15側にアンモニアガスノズル16cが形成されている。これらの各ノズル16b,16cをこのように形成することにより、各ガスが各ノズル16b,16cの中心から放射状に拡がって流れ、かつ、プロセスガス流路15に供給されるプロセスガスの流れを円滑にすることができる。そのため、各基板50の成膜面50aに均一に原料ガスを供給することが可能になる。
More between the specifically tip 5A 1 and the opposing
また、パージガス供給路13は、対向板4に突き当たった後、対向板4と先端部5A1との間の隙間に連通している。その隙間のプロセスガス流路15側にパージガスノズル16aが形成されている。これにより、パージガスはプロセスガスと同様にノズル16の中心から放射状に拡がって流れる。その後、吹き出された各ガスがプロセスガス流路15内において相互に拡散し、各ガスが基板50上で反応する。以降では、ノズル16a,16b,16c全体を示す際には、単に「ノズル16」と記載する。
Further, the purge gas supply line 13, after hits the opposing
プロセスガス流路15に吹き出されたプロセスガスは、化学反応により基板50の成膜面50aに堆積して半導体薄膜を形成する。円盤状のノズル16の延在方向が、基板50の成膜面50aと平行であるとともに、前述のように基板50が自公転することにより、成膜面50aに均一な膜厚の半導体薄膜が形成される。半導体薄膜の形成に用いられなかった残りのプロセスガスは、下部チャンバー1Bに設けられたガス排出部27から、チャンバー1の外に排出される。
The process gas blown into the
ノズル16の合計の高さ(吹き出し部の高さ)B(図2参照)は、プロセスガス流路15へのプロセスガスの流速を制御する。MOCVD装置100における高さBは、周方向で一定になるように設計されている。しかしながら、実際には高さBがノズル16の全周にわたって均一ではない場合がある。このような場合には、プロセスガス供給管5への原料ガス、キャリアガス、パージガスの各供給流量が一定であっても、外周方向において、ノズル16からのプロセスガスの流速のばらつきが生じる。
The total height of the nozzles 16 (the height of the blowing portion) B (see FIG. 2) controls the flow rate of the process gas to the process
前述のように、サセプタ3の回転及びステージの回転により、基板50は、成膜面50aでの半導体薄膜の成膜中にサセプタ3の回転軌道上で自転するとともに、中空シャフト2を中心として公転する。
本実施形態のMOCVD装置100においては、ノズル16を備えたプロセスガス供給管5が、チャンバー1に固定されているため、ノズル16は回転停止状態である。これにより、半導体薄膜の成膜中は、基板50とノズル16との位置関係が変動する。この状態でノズル16からプロセスガスを流すと、ノズル16から一定方向に流れるガス流に対して、基板50の位置は常に変動することになる。その結果、前述のようなノズル16の形状の不均一さに起因したプロセスガスの流速のばらつきが外周方向で平均化され、基板50間における半導体薄膜の成膜速度のばらつきを小さくすることができる。
As described above, the rotation of the
In the
次いで、MOCVD装置100を用いた半導体薄膜の製造方法について、図1及び図2を参照しながら説明する。本実施形態では、基板50としてサファイア基板を用いるとともに、サファイア基板上にGaN薄膜を成膜する。
Next, a method for manufacturing a semiconductor thin film using the
先ず、サセプタ3の各ステージ上に基板50を設置する。その後、加熱手段8により、基板50を所定の温度に加熱する。
続いて、中空シャフト2を回転させ、サセプタ3を回転させるとともに、サセプタ3のステージを回転させる。これにより、基板50が自転するとともに、中空シャフト2を中心として公転する。
First, the
Subsequently, the
次に、プロセスガス導入部5dより、プロセスガス供給管5のパージガス供給路13、有機金属ガス供給路11B、アンモニアガス供給路11Aにそれぞれ、窒素からなるパージガスと、トリメチルガリウム等の有機金属ガスと水素と窒素との混合ガスと、アンモニアガスと水素と窒素との混合ガスを供給する。
続いて、ノズル16から、プロセスガスである有機金属ガスと、アンモニアガスと、水素及び窒素をそれぞれ、プロセスガス流路15のサセプタ3中央側から外周側に吹き出させる。ノズル16におけるプロセスガスの流速は、成膜するGaN薄膜の厚みを勘案して設定することが好ましい。
Next, a purge gas made of nitrogen, an organic metal gas such as trimethylgallium, and the like are supplied from the process
Subsequently, organometallic gas, ammonia gas, hydrogen, and nitrogen, which are process gases, are blown out from the
基板50上のプロセスガス流路15では、プロセスガスを構成する各種ガスが拡散される。また、加熱された基板50からの熱により、拡散した各種ガスに熱エネルギーが与えられ、有機金属ガスが熱分解反応することで基板50の成膜面50aにGaN薄膜が成膜される。
In the process
ノズル16が回転停止状態に固定されていると、プロセスガス流路15に導入されたプロセスガスはノズル16から一定方向に流れる。基板50は、ノズル16の中心に対して自転及び公転している。これにより、成膜中はプロセスガスのガス流に対して、各基板50の方向及び基板50の位置を常に変動させることができる。
その結果、各基板50の成膜面50a内でGaN薄膜の成膜速度のばらつきが低減されるとともに、複数の基板50間のGaN薄膜の成膜速度のばらつきが低減される。
When the
As a result, variation in the deposition rate of the GaN thin film within the
基板50上のGaN薄膜が所定の厚みに達した際に、プロセスガス供給管5への窒素からなるパージガスと、有機金属ガスと水素と窒素との混合ガスと、アンモニアガスと水素と窒素との混合ガスの供給を中止する。また、中空シャフト2及びサセプタ3のステージの回転を停止させる。
その後、基板50上に成膜されたGaN薄膜を適温になるまでチャンバー1内で自然冷却した後、上部チャンバー1Aを開放して基板50を取り出す。
When the GaN thin film on the
Thereafter, the GaN thin film formed on the
以上の工程により、サファイア基板上にGaN薄膜を成膜することができる。本実施形態のMOCVD装置100においては、ノズル16を回転停止状態に固定し、サセプタ3を回転させることにより、ノズル16の形状の不均一さに起因したプロセスガスの流速のばらつきが外周方向で平均化される。そのため、複数の基板50間のGaN薄膜の成膜速度のばらつきを抑えることができる。
また、ノズル16が中空シャフト2から切り離されているため、加熱手段8により加熱されたサセプタ3からのノズル16への伝熱を防止することにより、プロセスガスの利用効率を向上させ、基板50のGaN薄膜の成膜速度を速くすることができる。
Through the above steps, a GaN thin film can be formed on the sapphire substrate. In the
Further, since the
(第2実施形態)
次に、本発明を適用した気相成長装置の別の例として、図示略のMOCVD装置(気相成長装置)101の構成について説明する。
MOCVD装置101においては、ノズル16を構成する内管5A及び外管5Bがノズル回転機構(図示略)に接続されている。その他の構成要素は、図1に示すMOCVD装置100と同一である。
(Second Embodiment)
Next, as another example of the vapor phase growth apparatus to which the present invention is applied, the configuration of an MOCVD apparatus (vapor phase growth apparatus) 101 (not shown) will be described.
In the MOCVD apparatus 101, the
ノズル回転機構は、成膜中に中空シャフト2の回転速度ω1と異なる回転速度ω2で回転する。この状態でノズル16からプロセスガスを流すと、回転するノズル16から流れるガス流の変化に対して、基板50の移動が並行しない状態になる。その結果、ノズル16の形状の不均一さに起因した混合ガスの流速のばらつきが外周方向で平均化され、基板50間における半導体薄膜の厚みのばらつきを小さくすることができる。
また、ノズル回転機構の回転速度ω2を、中空シャフト2の回転速度ω1の自然数の倍数(但し、1倍を除く)になるように制御することにより、混合ガスの流速のばらつきが外周方向で、より厳密に平均化され、基板50間における半導体薄膜の成膜速度のばらつきをさらに小さくすることができる。
The nozzle rotating mechanism rotates at a rotational speed ω 2 different from the rotational speed ω 1 of the
In addition, by controlling the rotational speed ω 2 of the nozzle rotating mechanism to be a multiple of the natural number of the rotational speed ω 1 of the hollow shaft 2 (excluding 1 times), the variation in the flow rate of the mixed gas is changed in the outer circumferential direction. Thus, it is possible to average more strictly and to further reduce the variation in the deposition rate of the semiconductor thin film between the
なお、実際には、チャンバー1内の回転機構は1つ(中空回転機構)であることが多い。その場合には、当該回転機構にノズル16を回転速度ω2で回転させる機能を持たせればよい。
In practice, the number of rotation mechanisms in the
次いで、MOCVD装置101を用いた半導体薄膜の製造方法について説明する。
ノズル16から、プロセスガスをプロセスガス流路15のサセプタ3中央側から外周側に吹き出させる工程までは、MOCVD装置100を用いた半導体薄膜の製造方法と同一の工程を行う。
Next, a method for manufacturing a semiconductor thin film using the MOCVD apparatus 101 will be described.
From the
次に、ノズル回転機構により、ノズル16をサセプタ3と同方向に、かつ、サセプタ3の回転速度ω1と異なる回転速度ω2で回転させる。このような状態でノズル16からプロセスガスを流すと、回転速度ω2で回転するノズル16から平面視で螺旋状にプロセスガスが流れる。このガス流の変化に対して、基板50の位置が回転速度ω1で変動するため、ガス流の変化と基板50の移動は並行しない。その結果、ノズル16の形状の不均一さに起因した混合ガスの流速のばらつきが外周方向で平均化される。そのため、複数の基板50間のGaN薄膜の成膜速度のばらつきを抑えることができる。
GaN薄膜の成膜後は、MOCVD装置100を用いた半導体薄膜の製造方法と同一の工程を行う。
Next, the
After the formation of the GaN thin film, the same process as that of the semiconductor thin film manufacturing method using the
(第3実施形態)
次に、本発明を適用した気相成長装置のさらに別の例について説明する。本実施形態のMOCVD装置(気相成長装置)102の構成は、第2実施形態で説明したMOCVD装置101の構成と同一である。
(Third embodiment)
Next, still another example of the vapor phase growth apparatus to which the present invention is applied will be described. The configuration of the MOCVD apparatus (vapor phase growth apparatus) 102 of this embodiment is the same as that of the MOCVD apparatus 101 described in the second embodiment.
MOCVD装置102のノズル回転機構は、成膜中に中空シャフト2の回転方向とは逆方向に回転する。中空シャフト2の回転速度ω1とノズル回転機構の回転速度ω2は同一でも、異なってもよい。この状態でノズル16からプロセスガスを流すと、回転するノズル16から流れるガス流の変化に対して、基板の移動が逆方向になる。その結果、ノズル16の形状の不均一さに起因した混合ガスの流速のばらつきが外周方向で平均化され、基板50間における半導体薄膜の厚みのばらつきを小さくすることができる。
また、ノズル回転機構の回転速度ω2を、中空シャフト2の回転速度ω1の自然数倍数になるように制御することにより、混合ガスの流速のばらつきが外周方向で、より厳密に平均化され、基板50間における半導体薄膜の成膜速度のばらつきをさらに小さくすることができる。
The nozzle rotation mechanism of the MOCVD apparatus 102 rotates in the direction opposite to the rotation direction of the
Further, by controlling the rotational speed ω 2 of the nozzle rotating mechanism to be a natural number multiple of the rotational speed ω 1 of the
次いで、MOCVD装置102を用いた半導体薄膜の製造方法について説明する。
ノズル16から、プロセスガスをプロセスガス流路15のサセプタ3中央側から外周側に吹き出させる工程までは、MOCVD装置100を用いた半導体薄膜の製造方法と同一の工程を行う。
Next, a method for manufacturing a semiconductor thin film using the MOCVD apparatus 102 will be described.
From the
次に、ノズル回転機構により、ノズル16をサセプタ3と逆方向に回転させる。このような状態でノズル16からプロセスガスを流すと、回転速度ω2で回転するノズル16からは、MOCVD装置101を用いた半導体薄膜の製造方法と同様に、平面視で螺旋状にプロセスガスが流れる。このガス流の変化に対して、基板の位置が逆方向に移動する。その結果、ノズル16の形状の不均一さに起因した混合ガスの流速のばらつきが外周方向で平均化される。そのため、複数の基板50間のGaN薄膜の成膜速度のばらつきを抑えることができる。
GaN薄膜の成膜後は、MOCVD装置100を用いた半導体薄膜の製造方法と同一の工程を行う。
Next, the
After the formation of the GaN thin film, the same process as that of the semiconductor thin film manufacturing method using the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.
以下に、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
(実施例1)
図1に示すMOCVD装置100を用いて、GaN系半導体薄膜を製造した。基板には、4インチのサファイア基板を用いた。また、図3に示すように、サファイア基板71上には、低温成長GaN72を約30nmの膜厚で形成した。
サセプタの開口部は、外周上に等間隔に11個(各開口部をST1〜ST11と称する)設けて、そのうちST1,ST3,ST5,ST7,ST9,ST10の6個の開口部に基板を設置した。したがって、6枚のサファイア基板の外周方向における間隔は非等間隔とした。具体的には、ST9とST10との間隔が最も狭く、ST10とST1との間隔が最も広い状態にした。6個の開口部に設置した合計6枚のサファイア基板の低温成長GaN上に、図3に示すようにGaN系半導体薄膜73を膜厚約3.5μmで成膜し、基板間の成膜速度のばらつきを評価した。なお、成膜時のサセプタ温度は約1300℃とした。
Example 1
A GaN-based semiconductor thin film was manufactured using the
Eleven susceptor openings are provided at equal intervals on the outer periphery (each opening is referred to as ST1 to ST11), and a substrate is installed in six openings ST1, ST3, ST5, ST7, ST9, and ST10. did. Therefore, the intervals in the outer peripheral direction of the six sapphire substrates were set at non-equal intervals. Specifically, the interval between ST9 and ST10 is the narrowest, and the interval between ST10 and ST1 is the widest. As shown in FIG. 3, a GaN-based semiconductor
(比較例1)
図1に示すMOCVD装置100において、プロセスガス供給管5を中空シャフト2に接合し、ノズル16をサセプタ3と同方向かつ同回転速度で回転させた。その他の装置構成及び成膜時の条件は、実施例1と同一にして、GaN系半導体薄膜を製造した。
(Comparative Example 1)
In the
上記のように、GaN系半導体薄膜の製造を行った際の実施例1及び比較例1における6枚の基板の成膜速度を図4に示す。 FIG. 4 shows the deposition rates of the six substrates in Example 1 and Comparative Example 1 when the GaN-based semiconductor thin film was manufactured as described above.
図4に示すように、比較例1における成膜速度の基板間のばらつき(Δ)は9%であるのに対して、サセプタがノズルに非同期で回転するように改善を行った結果、実施例1におけるΔは4%に低減した。
また、ノズルの固定化以外の成膜条件は実施例1と比較例1で同一であったにも係わらず、実施例1における基板面内の平均成膜速度が、比較例1における基板面内の平均成膜速度より1割程度速くなった。比較例1のように、従来のMOCVD装置では、ノズルがサセプタを回転させる中空回転機構と接合していたために、加熱手段によって中空シャフトが加熱され、中空シャフトからの伝熱によりノズルも加熱されていた。これにより、ノズルから吹き出す原料ガスの温度が所定の温度より上昇し、原料ガスの分解し始める位置が変化したため、原料の利用効率が低下していた。これに対して、本発明を適用したMOCVD装置を用いた実施例1においては、ノズルが中空回転機構から切り離されているため、中空回転機構からの伝熱を受けることもなく、原料の利用効率が向上したと考えられる。
結果として、MOCVD装置において、サセプタをノズルと非同期に回転させて成膜を行うことにより、成膜速度の基板間のばらつきを抑える効果に加え、原料の利用効率が向上する効果が得られた。
As shown in FIG. 4, the variation (Δ) between the substrates in the film formation speed in Comparative Example 1 is 9%, while the susceptor is rotated so as to rotate asynchronously with the nozzle. Δ in 1 was reduced to 4%.
In addition, although the film formation conditions other than the fixing of the nozzles were the same in Example 1 and Comparative Example 1, the average film formation rate in the substrate surface in Example 1 was the same as that in Comparative Example 1. It was about 10% faster than the average film formation rate. As in Comparative Example 1, in the conventional MOCVD apparatus, since the nozzle is joined to the hollow rotating mechanism that rotates the susceptor, the hollow shaft is heated by the heating means, and the nozzle is also heated by the heat transfer from the hollow shaft. It was. As a result, the temperature of the raw material gas blown from the nozzle rises above a predetermined temperature, and the position where the raw material gas begins to decompose has changed, so that the utilization efficiency of the raw material has been reduced. On the other hand, in Example 1 using the MOCVD apparatus to which the present invention is applied, since the nozzle is separated from the hollow rotating mechanism, the utilization efficiency of the raw material is not received without receiving heat transfer from the hollow rotating mechanism. Is thought to have improved.
As a result, in the MOCVD apparatus, film formation was performed by rotating the susceptor asynchronously with the nozzle, and in addition to the effect of suppressing variations in film formation speed between substrates, the effect of improving the utilization efficiency of raw materials was obtained.
1…チャンバー、1A…上部チャンバー、1B…下部チャンバー、2…中空回転機構、2a…上端、3…サセプタ、3a…上面、4…対向板、4b…底面、5…プロセスガス供給管、5A…内管、5A1,5B1…先端部、5B…外管、7…開口部、8…加熱手段、9…対向板昇降機構、11A…アンモニアガス供給路、11B…有機金属ガス供給路、12…サセプタ昇降機構、13…パージガス供給路、14…温度調整流路、15…プロセスガス流路、16…ノズル、16a…パージガスノズル、16b…有機金属ガスノズル、16c…アンモニアガスノズル、27…ガス排出部、50…基板、50a…成膜面、100,101,102…MOCVD装置(気相成長装置)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
チャンバーと、
前記チャンバーの中央に設けられた中空回転機構と、
前記中空回転機構の上端部に支持されて回転可能に設置された環状のサセプタと、
前記サセプタの上面と相互に間隔をあけて対向して配置され、前記サセプタとともにプロセスガス流路を区画形成する対向板と、
前記中空回転機構の上方に配置されて、プロセスガスを前記プロセスガス流路の前記サセプタ中央側から外周側に向けて吹き出させるノズルと、を有し、
前記中空回転機構により前記サセプタを前記ノズルと非同期に回転させることを特徴とする気相成長装置。 A vapor phase growth apparatus for forming a thin film by chemical vapor deposition on a plurality of substrates placed in a chamber,
A chamber;
A hollow rotation mechanism provided in the center of the chamber;
An annular susceptor rotatably supported by the upper end of the hollow rotation mechanism;
An opposing plate disposed opposite to and spaced from the upper surface of the susceptor and defining a process gas flow path with the susceptor;
A nozzle that is disposed above the hollow rotating mechanism and blows out a process gas from the susceptor center side of the process gas flow path toward the outer peripheral side;
A vapor phase growth apparatus characterized in that the susceptor is rotated asynchronously with the nozzle by the hollow rotation mechanism.
前記サセプタのみが回転することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 The nozzle is fixed in a rotation stopped state,
The vapor phase growth apparatus according to claim 1, wherein only the susceptor rotates.
前記ノズル回転機構により前記ノズルが前記サセプタと同方向に回転するとともに、前記サセプタの回転速度と前記ノズルの回転速度とが異なることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 The nozzle is provided with a nozzle rotation mechanism,
2. The vapor phase growth apparatus according to claim 1, wherein the nozzle is rotated in the same direction as the susceptor by the nozzle rotation mechanism, and the rotation speed of the susceptor is different from the rotation speed of the nozzle.
前記ノズル回転機構により前記ノズルが前記サセプタと逆方向に回転することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 The nozzle is provided with a nozzle rotation mechanism,
The vapor phase growth apparatus according to claim 1, wherein the nozzle is rotated in a direction opposite to the susceptor by the nozzle rotation mechanism.
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