JP2015195259A

JP2015195259A - サセプターおよび気相成長装置

Info

Publication number: JP2015195259A
Application number: JP2014071994A
Authority: JP
Inventors: 弘志高倉; Hiroshi Takakura; 牧　弘昭; Hiroaki Maki; 弘昭牧
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】成長基板の温度ムラを抑制して半導体素子の歩留まりの向上を図ったサセプターおよび気相成長装置を提供することである。【解決手段】サセプター１００は、誘導加熱により加熱されるものである。サセプター１００は、成長基板Ｓ１を載置するための基板載置部１１０を有する。基板載置部１１０は、底面１２０と内側面１３０とを有する。底面１２０は、成長基板Ｓ１を支持するための基板支持部１５０と、底面１２０の少なくとも一部から内側面１３０の少なくとも一部にわたる肉盛部１４０と、を有する。そして、肉盛部１４０の上端部１４１から底面１２０までの距離（高さＹ１）は、基板支持部１５０の上面１５１から底面１２０までの距離（高さＨ１）よりも小さい。【選択図】図６

Description

本発明は、サセプターおよび気相成長装置に関する。さらに詳細には、成長基板上に成長させる半導体結晶の均一化を図ったサセプターおよび気相成長装置に関するものである。

有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等の気相エピタキシー法では、チャンバーの内部でサセプターに保持した成長基板の上に半導体層の積層を行う。この半導体層の積層に際して、成長基板を加熱するとともに、成長基板に原料ガスを導く。

成長基板を加熱する場合には、サセプターを加熱することが一般的である。サセプターの加熱方式には、誘導加熱によりサセプターを加熱する誘導加熱方式と、熱源を接触もしくは近接させてサセプターを加熱する伝熱方式と、がある。

成長させる半導体層を半導体素子とする場合には、成長基板の板面に対して均一に加熱することが重要である。成長基板の温度ムラは、半導体層の品質のムラにつながるからである。そのため、成長基板の温度ムラは、半導体素子の歩留まりを低下させる原因となっている。

そのため、成長基板の温度ムラを解消する対策が講じられてきている。例えば、特許文献１には、成長基板に異方的な反りが生じた場合でも、成長基板を均一に加熱しやすくする技術が開示されている（特許文献１の段落［００１４］等参照）。

特開２０１０−８０６１４号公報

ところで、エピタキシャル成長時には、成長基板の外側面がサセプターの内側面と対向する方式の気相成長装置がある。この気相成長装置では、成長基板を好適に取り付けるために、成長基板の外側面とサセプターの内側面との間には、０．５ｍｍから２．０ｍｍ程度の隙間（クリアランス）が空いている。

一方、この成長基板の外側面とサセプターの内側面との間の隙間があるために、成長基板の外周部付近の温度は、成長基板の中心部付近の温度に比べて低い傾向にある。このため、成長基板に温度ムラが発生する。そして、この温度ムラは、半導体素子の歩留まりの低下を招く。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、成長基板の温度ムラを抑制して半導体素子の歩留まりの向上を図ったサセプターおよび気相成長装置を提供することである。

第１の態様におけるサセプターは、誘導加熱により加熱されるものである。このサセプターは、成長基板を載置するための基板載置部を有する。基板載置部は、底面と内側面とを有する。底面は、成長基板を支持するための基板支持部と、底面の少なくとも一部から内側面の少なくとも一部にわたる肉盛部と、を有する。そして、肉盛部のうち底面からの距離が最も大きい箇所から底面までの距離は、基板支持部のうち底面からの距離が最も大きい箇所から底面までの距離よりも小さい。

このサセプターは、誘導加熱により加熱されるものである。そして、サセプターと成長基板との隙間にあるガスを介して成長基板を加熱する。そのため、基板支持部により成長基板を底面から浮かせた状態で成長基板を加熱する。そして、温度の上昇しにくい成長基板の外周部付近では、肉盛部があるために、サセプターと成長基板との間の距離が比較的小さい。肉盛部の盛り上がりの分だけ、サセプターと成長基板との間の距離が短くなっている。そのため、このサセプターを有する気相成長装置は、成長基板を従来より均一に加熱することができる。また、サセプターの回転による遠心力を受けて成長基板が基板載置部の中でずれたとしても、成長基板が肉盛部に乗り上げて成長基板の半導体層形成面が傾くおそれがない。そのため、このサセプターは、成長基板の外周部周辺で低温となる温度ムラを抑制するとともに、成長基板の傾斜を防止する。

第２の態様におけるサセプターでは、肉盛部は、内側面の側から内側にいくにしたがって底面からの距離が小さくなる向きに傾斜する傾斜面を有する。このサセプターは、外周部にいくほど成長基板に入熱しやすい。

第３の態様におけるサセプターでは、傾斜面は、次式
Ｙ１＝ａ１・Ｘ１
０．００５ ≦ ａ１ ≦ ０．１
Ｙ１：肉盛部の高さ
Ｘ１：肉盛部の幅
を満たす。

第４の態様におけるサセプターでは、肉盛部の幅Ｘ１および内側面の内径φ１は、次式
０＜Ｘ１＜ φ１／２
を満たす。

第５の態様におけるサセプターでは、基板支持部は、成長基板を底面に接触させずに成長基板を支持する。このサセプターは、成長基板を底面から浮かせた状態で成長基板を加熱することができる。

第６の態様におけるサセプターでは、肉盛部は、内側面の全内周に沿って形成されている。

第７の態様におけるサセプターでは、肉盛部は、内側面の全内周の一部の１箇所にのみ形成されている。オリエンテーションフラットを有する成長基板に半導体層を形成する場合に、成長基板の板面にわたってほぼ均一に加熱することができる。

第８の態様における気相成長装置は、上記のいずれかのサセプターを有する。

第９の態様における気相成長装置は、誘導加熱によりサセプターを加熱するｒｆコイルを有する。

本発明では、成長基板の温度ムラを抑制して半導体素子の歩留まりの向上を図ったサセプターおよび気相成長装置が提供されている。

第１の実施形態における気相成長装置の概略構成を示す図である。第１の実施形態におけるサセプターを示す平面図である。図２のIII-III 断面を示す断面図である。図３の一部を拡大した拡大図である。サセプターに成長基板を載置した状態を示す図である。図５の一部を拡大した拡大図である。サセプターの回転による遠心力により成長基板の位置が外周部側にずれた場合を示す図である。第２の実施形態におけるサセプターを示す平面図である。図８のIX-IX 断面を示す断面図である。図９の一部を拡大した拡大図である。第２の実施形態の変形例におけるサセプターを示す平面図である。

以下、具体的な実施形態について、誘導加熱により加熱されるサセプターおよび気相成長装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、図面における縦方向の縮尺と横方向の縮尺とは必ずしも同じではない。

（第１の実施形態）
１．気相成長装置
図１は、本実施形態の気相成長装置１の概略構成を示す図である。気相成長装置１は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により半導体層を成長させるものである。より具体的には、気相成長装置１は、サセプター１００に保持された成長基板の上にIII 族窒化物半導体を堆積させる。また、気相成長装置１は、高周波誘導加熱によりサセプター１００を加熱する。

気相成長装置１は、チャンバー１０と、サセプター１００と、サセプター取付け部２０と、回転軸３０と、モーター４０と、ガス導入口５０と、ガス排出口６０と、ｒｆコイル７０と、高周波電源８０と、ガス供給部９０と、マスフローコントローラー９１と、を有している。

チャンバー１０は、成長基板上に原料ガスを供給して半導体結晶の堆積を行うための炉本体である。サセプター１００は、成長基板を保持するためのものである。サセプター取付け部２０は、サセプター１００を回転軸３０に取り付けるためのものである。回転軸３０は、モーター４０の回転駆動をサセプター１００に伝達するためのものである。モーター４０は、サセプター１００を回転させるためのものである。このため、サセプター１００は、半導体層を成長させる間、チャンバー１０に対して回転することができるようになっている。

ガス供給部９０は、種々の原料ガスを供給するためのものである。図１では、ガス供給部９０は、簡略化して描かれている。マスフローコントローラー９１は、ガス導入口５０に供給するガスの流量を制御するためのものである。ガス導入口５０は、チャンバー１０の内部に原料ガスを導入するためのものである。ガス排出口６０は、チャンバー１０の内部からガスを排出するためのものである。

高周波電源８０は、ｒｆコイル７０に高周波電流を流すためのものである。ｒｆコイル７０は、チャンバー１０を覆うように配置されている。そのため、サセプター１００は、ｒｆコイル７０の内部に位置している。ｒｆコイル７０は、交番磁界を発生させるためのものである。ｒｆコイル７０の内部に発生する磁界は、サセプター１００に保持される成長基板の板面に平行に形成される。この磁界は、例えば、ガス導入口５０とガス排出口６０とを結ぶ線に平行に形成される。

２．サセプター
２−１．サセプターの形状および材質
図２は、本実施形態の気相成長装置１のサセプター１００を示す平面図である。サセプター１００は、成長基板に半導体層を堆積している間、成長基板を保持するためのものである。サセプター１００は、カーボンにＳｉＣでコーティングを施したものである。そのため、サセプター１００は、ｒｆコイル７０が形成する高周波磁界により加熱される。

図２に示すように、サセプター１００は、円板形状をしている。そして、サセプター１００は、４つの基板載置部１１０を有している。この基板載置部１１０は、成長基板を載置するためのものである。

図３は、図２のIII-III 断面を示す断面図である。図３に示すように、基板載置部１１０は、凹部形状をしている。基板載置部１１０は、底面１２０と、内側面１３０と、肉盛部１４０と、基板支持部１５０と、を有している。内側面１３０は、円筒内面である。肉盛部１４０は、底面１２０に対して傾斜を有する傾斜面を有している。肉盛部１４０は、基板載置部１１０の内側面１３０の全内周に沿って形成されている。そのため、肉盛部１４０は、図３中の矢印Ｋ１からみると、リング状である。そして、肉盛部１４０は、基板載置部１１０の底面１２０から内側面１３０にわたって形成されている。

基板支持部１５０は、成長基板を支持するためのものである。底面１２０の上には、複数の基板支持部１５０が設けられている。そのため、複数の基板支持部１５０が、成長基板を底面１２０に接触させずに成長基板を支持する。基板支持部１５０は、円柱形状である。基板支持部１５０は、正六角形の頂点の位置に配置されている。そのため、底面１２０は、６個の基板支持部１５０を有している。基板支持部１５０の頂部には、上面１５１がある。基板支持部１５０の上面１５１は、基板支持部１５０のうち底面１２０からの距離が最も大きい箇所である。

２−２．基板支持部と肉盛部との関係
図４は、図３の一部を拡大した拡大図である。基板支持部１５０の高さＨ１は、底面１２０から上面１５１までの距離である。成長基板が、基板載置部１１０に配置された後には、成長基板と底面１２０との間の距離は、高さＨ１である。

図４に示すように、肉盛部１４０は、内側面１３０の側から内側にいくにしたがって、底面１２０からの距離が小さくなる向きに傾斜する傾斜面を有している。そのため、肉盛部１４０における内側面１３０との境界となる上端部１４１が、肉盛部１４０における最も高い箇所である。すなわち、肉盛部１４０の上端部１４１は、肉盛部１４０のうち底面１２０からの距離が最も大きい箇所である。下端部１４２は、底面１２０と肉盛部１４０との境界に位置している。下端部１４２は、肉盛部１４０のうち内側面１３０からの距離が最も大きい箇所である。そして、肉盛部１４０の傾斜面は、下端部１４２から上端部１４１にかけて傾斜している。

図４に示すように、肉盛部１４０の上端部１４１の高さＹ１は、基板支持部１５０の上面１５１の高さＨ１より低い。言い替えると、肉盛部１４０の上端部１４１から底面１２０までの距離（Ｙ１）は、基板支持部１５０の上面１５１から底面１２０までの距離（Ｈ１）よりも小さい。すなわち、次式を満たす。
０＜Ｙ１＜Ｈ１
ここで、基板支持部１５０の上面１５１は、成長基板に反りが生じていない場合の基板載置面を構成する。したがって、肉盛部１４０の上端部１４１は、基板載置面より低い位置にある。

肉盛部１４０の幅Ｘ１（図４参照）と内側面１３０の内径φ１（図２、図３参照）とは、次式を満たす。
０＜Ｘ１＜ φ１／２
また、肉盛部１４０の幅Ｘ１は、次式を満たすとなおよい。
０＜Ｘ１＜ φ１／３．５
この場合には、肉盛部１４０は、より成長基板の外周部に位置していることとなる。そして、肉盛部１４０の幅Ｘ１は、次式を満たすとさらによい。
０＜Ｘ１＜ φ１／５

図４に示す肉盛部１４０の幅Ｘ１と肉盛部１４０の高さＹ１とは次式を満たすとよい。
Ｙ１＝ａ１・Ｘ１
０．００５ ≦ ａ１ ≦ ０．１
ここで、肉盛部１４０の幅Ｘ１は、下端部１４２から内側面１３０までの距離である。また、下端部１４２から上端部１４１までにかけての傾斜面の傾きａ１は、上記のように、０．００５≦ａ１≦０．１の範囲内であるとよい。より好ましくは、傾斜面の傾きａ１は、０．０１≦ａ１≦０．０５の範囲内である。

２−３．成長基板の配置状態
図５は、サセプター１００の基板載置部１１０にウエハＳ１を収容した状態を示す図である。ここで、ウエハＳ１は、サファイア基板等の成長基板である。図５には、基板載置部１１０の内径φ１と、ウエハＳ１の外径φ２と、クリアランスＣ１と、が描かれている。図５に示すように、ウエハＳ１の外径φ２は、基板載置部１１０の内径φ１よりも小さい。クリアランスＣ１は、基板載置部１１０の内径φ１とウエハＳ１の外径φ２との間の隙間である。基板載置部１１０の内径φ１とウエハＳ１の外径φ２とクリアランスＣ１とは、次式を満たす。
２×Ｃ１＝ φ１−φ２

次に、基板載置部１１０の内径φ１とクリアランスＣ１との関係について説明する。クリアランスＣ１は、次式を満たすとよい。
Ｃ１＝０．００２７×φ１＋ａ２
０．３ ≦ ａ２ ≦ ２．７（ｍｍ）

クリアランスＣ１と肉盛部１４０の高さＹ１との関係は、次式を満たすとよい。
Ｙ１＝ａ３・Ｃ１
０．０２０ ≦ ａ３ ≦ ０．０２５

３．肉盛部の効果
図６は、図５を部分的に拡大した図である。図６に示すように、ウエハＳ１の端部Ｓ１ａと肉盛部１４０との間の距離Ｈ３は、基板支持部１５０の高さＨ１よりも短い。つまり、ウエハＳ１の外周部におけるサセプター１００とウエハＳ１との間の距離（Ｈ３）は、ウエハＳ１の中心部におけるサセプター１００とウエハＳ１との間の距離（Ｈ１）よりも短い。

このため、ウエハＳ１の外周部では、ウエハＳ１の中心部に比べてサセプター１００から加熱されやすい。したがって、ウエハＳ１の外周部の温度が低い状態になる温度ムラを抑制することができる。これにより、ウエハＳ１の外周部から分離される半導体発光素子のほとんどは、規格内の波長で発光する。つまり、本実施形態では、半導体発光素子の歩留まりはよい。

図７は、ウエハＳ１が、基板載置部１１０の一方の内側面１３０に寄った場合を示している。半導体を成長させる間には、サセプター１００は、回転軸３０とともに回転している。そのため、ウエハＳ１は遠心力を受けて、図７のように基板載置部１１０の一方の内側面１３０に接触することがある。図７に示すように、ウエハＳ１の外側面Ｓ１ｃと、サセプター１００の内側面１３０とが、接触している。

この場合において、ウエハＳ１の端部Ｓ１ａは、肉盛部１４０に接触していない。肉盛部１４０の上端部１４１の高さＹ１が、基板支持部１５０の上面１５１の高さＨ１よりも低いからである。そのため、半導体結晶の成長中にウエハＳ１が基板載置部１１０の内部でずれたとしても、ウエハＳ１が肉盛部１４０の上に乗り上げるおそれはない。このように、本実施形態の気相成長装置１は、肉盛部１４０をウエハＳ１に接触させずにウエハＳ１を加熱することができる。

仮に、ウエハＳ１が肉盛部１４０の上に乗り上げたとすると、ウエハＳ１は、底面１２０に対して傾斜する。これにより、ウエハＳ１の半導体層形成面Ｓ１ｄが平坦でなくなる。ウエハＳ１の半導体層形成面Ｓ１ｄが平坦でないと、半導体層形成面Ｓ１ｄに均一な半導体層を形成することは困難である。本実施形態では、遠心力を受けたウエハＳ１の位置がずれることにより、ウエハＳ１の半導体層形成面Ｓ１ｄが傾斜するおそれはない。

本実施形態では、基板支持部１５０が、ウエハＳ１の半導体層形成面Ｓ１ｄの平坦性を保持する。また、肉盛部１４０が、ウエハＳ１の外周部を重点的に加熱する。肉盛部１４０は、非接触状態で、ウエハＳ１の外周部を加熱する。したがって、本実施形態では、サセプター１００の回転に起因するウエハＳ１の傾斜を防止するとともに、温度ムラを抑制するサセプター１００が実現されている。

４．III 族窒化物半導体発光素子の歩留まり
本実施形態のサセプター１００を用いて、III 族窒化物半導体発光素子を製造することにより、歩留まりが２％向上した。

５．変形例
５−１．基板支持部
本実施形態では、サセプター１００の底面１２０に、６個の基板支持部１５０が正六角形の頂点の位置に配置されていることとした。また、基板支持部１５０の形状は、円筒形状であるとした。しかし、基板支持部１５０の数は、任意である。また、その配置する位置についても、本実施形態と異なっていてよい。そして、基板支持部１５０の形状も、円筒形状に限らない。基板支持部１５０は、ウエハＳ１をサセプター１００の底面１２０からわずかに浮かせるとともに、ウエハＳ１の半導体層形成面Ｓ１ｄをほぼ水平に保つことが出来れば、その他の構成であってよい。

５−２．半導体素子
本実施形態の気相成長装置１は、III 族窒化物半導体発光素子を製造するために用いた。しかし、もちろん、その他の半導体素子を製造するために用いることができる。例えば、III 族窒化物系以外の半導体層を有する発光素子である。また、ＨＥＭＴ等の半導体素子であってもよい。

５−３．基板載置部の数
本実施形態では、図２に示すように、サセプター１００は、４個の基板載置部１５０を有することとした。しかし、例えば、１個の基板載置部１５０を有するサセプターを用いてもよい。また、６個の基板載置部１５０を有するサセプターを用いてもよい。このように、基板載置部１５０の数は、いくつであってもよい。

５−４．気相成長方法
本実施形態では、気相成長装置１は、ＭＯＣＶＤ法により半導体層を成長基板上に堆積させるものであるとした。しかし、ＨＶＰＥ法等、その他の気相成長法を用いることとしてもよい。

５−５．組み合わせ
また、上記の変形例のそれぞれを自由に組み合わせてもよい。

６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のサセプター１００では、肉盛部１４０がウエハＳ１に近い位置に位置している。このため、肉盛部１４０がウエハＳ１の外周部周辺を好適に加熱する。また、肉盛部１４０は、ウエハＳ１に接触しない。これにより、サセプター１００の回転に起因するウエハＳ１の傾斜を防止するとともに、温度ムラを抑制するサセプター１００が実現されている。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態とサセプターのみが異なっている。そのため、その異なっているサセプターについて説明する。

１．サセプター
図８は、本実施形態のサセプター２００を示す平面図である。図８に示すように、サセプター２００は、４個の基板載置部２１０を有している。基板載置部２１０では、サセプター２００の中心Ｏ２の側に、肉盛部２４０がある。なお、中心Ｏ２は、サセプター２００が回転する際の回転の中心となる位置である。

肉盛部２４０は、基板載置部２１０の底面２２０の一部から内側面２３０の一部にわたって形成されている。つまり、肉盛部２４０は、内側面１３０の全内周の一部の１箇所にのみ形成されている。

図９は、図８のIX-IX 断面を示す断面図である。図９に示すように、基板載置部２１０は、底面２２０と、内側面２３０と、肉盛部２４０と、基板支持部２５０と、を有している。また、肉盛部２４０は、傾斜面を有している。そして、その傾斜面の最上端が、上端部２４１である。

図１０は、成長基板Ｓ２を載置した状態を示す図である。ここで、成長基板Ｓ２は、オリエンテーションフラットＯＦを有する。そして、オリエンテーションフラットＯＦは、肉盛部２４０と対面する位置に配置されている。

そして、肉盛部２４０の上端部２４１の高さＹ２は、基板支持部２５０の上面２５１の高さＨ２より低い。すなわち、次式を満たす。
０＜Ｙ２＜Ｈ２

２．変形例
２−１．肉盛部の形成位置
本実施形態では、図８に示すように、肉盛部２４０をサセプター２００の中心Ｏ２に近い側の位置に設けることとした。しかし、図１１に示すように、肉盛部３４０を外周部側に設けたサセプター３００を用いてもよい。サセプター３００では、基板載置部３１０のうち、中心Ｏ３から遠い側の位置に肉盛部３４０がある。

２−２．その他の変形例
また、第１の実施形態で説明したその他の変形例についても、同様に適用することができる。

１…気相成長装置
１００、２００、３００…サセプター
１１０、２１０、３１０…基板載置部
１２０、２２０…底面
１３０、２３０…内側面
１４０、２４０、３４０…肉盛部
１４１、２４１…上端部
１４２、２４２…下端部
１５０、２５０…基板支持部
１５１、２５１…上面
Ｓ１、Ｓ２…成長基板

Claims

誘導加熱により加熱されるサセプターにおいて、
成長基板を載置するための基板載置部を有し、
前記基板載置部は、
底面と内側面とを有し、
前記底面は、
成長基板を支持するための基板支持部と、
前記底面の少なくとも一部から前記内側面の少なくとも一部にわたる肉盛部と、
を有し、
肉盛部のうち底面からの距離が最も大きい箇所から前記底面までの距離は、基板支持部のうち底面からの距離が最も大きい箇所から前記底面までの距離よりも小さいこと
を特徴とするサセプター。
請求項１に記載のサセプターにおいて、
前記肉盛部は、
前記内側面の側から内側にいくにしたがって前記底面からの距離が小さくなる向きに傾斜する傾斜面を有すること
を特徴とするサセプター。
請求項２に記載のサセプターにおいて、
前記傾斜面は、次式
Ｙ１＝ａ１・Ｘ１
０．００５ ≦ ａ１ ≦ ０．１
Ｙ１：肉盛部の高さ
Ｘ１：肉盛部の幅
を満たすこと
を特徴とするサセプター。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のサセプターにおいて、
前記肉盛部の幅Ｘ１および前記内側面の内径φ１は、次式
０＜Ｘ１＜ φ１／２
を満たすこと
を特徴とするサセプター。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のサセプターにおいて、
前記基板支持部は、
成長基板を前記底面に接触させずに成長基板を支持すること
を特徴とするサセプター。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のサセプターにおいて、
前記肉盛部は、
前記内側面の全内周に沿って形成されていること
を特徴とするサセプター。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のサセプターにおいて、
前記肉盛部は、
前記内側面の全内周の一部の１箇所にのみ形成されていること
を特徴とするサセプター。
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のサセプターを有すること
を特徴とする気相成長装置。
請求項８に記載の気相成長装置において、
誘導加熱により前記サセプターを加熱するｒｆコイルを有すること
を特徴とする気相成長装置。