JP2017050389A - 酸化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱酸化工程におけるウエハの反りやヒータ形状に依存するウエハ内での酸化のばらつきを防止した酸化装置の提供を目的とする。【解決手段】面発光レーザの電流狭窄層を形成するための酸化装置が、密閉可能なチャンバと、チャンバ内に水蒸気を供給する供給部と、チャンバの底部上に回転可能に設けられ、表面と裏面とを備えたウエハを保持するウエハ保持部と、ウエハ保持部を回転させる回転機構と、ウエハ保持部とチャンバの底部との間に、ウエハとは非接触に配置された加熱部とを含み、ウエハ保持部は、開口部が設けられた上面部と、上面部をチャンバの底部上に支持する側壁部と、ウエハの裏面が露出するようにウエハを開口部内に保持する庇部とを含み、加熱部によりウエハが裏面から加熱される。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化装置に関し、特に面発光レーザ作製用の酸化装置に関する。

面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL）は、光ファイバー通信、高速光ＬＡＮ、光ディスク、レーザープリンタ、光インターコネクト等、今後の光エレクトロニクス分野において重要なキーデバイスである。

面発光レーザは、例えば半導体基板上にｎ型反射膜が設けられ、その上に、ｎ型スペーサ層、ｐ型活性層、ｐ型スペーサ層が順次積層される。ｐ型スペーサ層の上には、電流狭窄層が設けられ、その上に、ｐ型反射膜が設けられる。電流狭窄層は、例えばＡｌＡｓから形成された層を周囲から酸化して電流の流れないＡｌ_２Ｏ_３とし、中央に残ったＡｌＡｓ領域のみを電流が流れる（狭窄される）ようにして形成する（例えば、非特許文献１参照）。

電流狭窄層に酸化されずに残されたＡｌＡｓ層の面積、即ち、電流狭窄層の酸化の程度は、面発光レーザの性能に大きく影響するため、ＡｌＡｓ層の酸化には高い制御性が必要とされる。このため、例えば酸化装置が顕微鏡を備え、ＡｌＡｓ層を酸化する過程で顕微鏡を用いて酸化量をモニタし、酸化量を制御すること（例えば、特許文献１参照）や、基板温度をより高精度で制御し、酸化量を正確に制御すること（例えば、特許文献２参照）が行われてきた。

特開２００６−２２８８１１号公報 特開２００６−４０９４３号公報

Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000) pp. 3468-3469

従来の酸化装置では、ヒータを内蔵する加熱ステージの上に、複数の面発光レーザが形成されたウエハを乗せた基板ホルダが載置され、酸化装置中に水蒸気を導入してＡｌＡｓ層を酸化していたが、各面発光レーザ間で、ＡｌＡｓ層の酸化量が異なり、素子特性がばらつくという問題が発生した。この傾向は、特にウエハが大口径化するほど顕著であった。

かかる原因について検討したところ、ヒータでウエハを加熱するとウエハが反り、基板ホルダに接触する部分と接触しない部分が生じ、基板ホルダからウエハへの熱伝導が場所により異なりウエハの温度がばらつくため、これに応じて酸化量にもばらつきが出ることを見出した。このことは、特に、ウエハの反りによる影響は、ウエハが大口径化するほど顕著に見られた。

また、従来の酸化装置では、加熱ステージとウエハとの相対的な位置関係が固定された状態で加熱ステージ中のヒータの熱が熱伝導でウエハに伝わるため、ヒータの形状に依存してウエハの温度がばらつくことも分かった。

そこで、本発明は、熱酸化工程におけるウエハの反りやヒータ形状に依存するウエハ内での酸化のばらつきを防止した酸化装置の提供を目的とする。

本発明の１つの形態は、面発光レーザの電流狭窄層を形成するための酸化装置であって、
密閉可能なチャンバと、
チャンバ内に水蒸気を供給する供給部と、
チャンバの底部上に回転可能に設けられ、表面と裏面とを備えたウエハを保持するウエハ保持部と、
ウエハ保持部を回転させる回転機構と、
ウエハ保持部とチャンバの底部との間に、ウエハとは非接触に配置された加熱部と、を含み、
ウエハ保持部は、開口部が設けられた上面部と、上面部をチャンバの底部上に支持する側壁部と、ウエハの裏面が露出するようにウエハを開口部内に保持する庇部とを含み、加熱部によりウエハが裏面から加熱されることを特徴とする酸化装置である。

また、本発明の他の形態は、上記酸化装置を用いた面発光レーザの電流狭窄層の製造方法であって、
半導体層に上下が挟まれた導電層を含む面発光レーザのメサ部が表面に形成されたウエハを準備する工程と、
ウエハをウエハ保持部の開口部内に保持する工程と、
供給部からチャンバ内に水蒸気を導入する工程と、
回転機構を用いてウエハ保持部を回転させる工程と、
加熱部を用いてウエハを裏面から加熱し、ウエハを熱酸化温度に保持して、導電層を周囲から酸化し、中央部に残された導電層と、その周囲に形成された酸化層からなる電流狭窄層を形成する工程と、
ウエハの温度を下げて、導電層の酸化を停止する停止工程と、を含む製造方法である。

以上のように、本発明にかかる酸化装置では、ヒータに対してウエハを回転させながら、輻射熱でウエハを加熱することにより、熱酸化中のウエハの温度を均一にすることができ、ウエハ内で均一な酸化が可能となる。特に、面発光レーザの電流狭窄素の酸化に用いた場合、ウエハ内で均一な特性の面発光レーザを得ることができる。

本発明の実施の形態にかかる酸化装置の概略図である。 本発明の実施の形態にかかる酸化装置に含まれる加熱機構の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる酸化装置に用いられるウエハ保持部の部分上面図である。 図３ａをＡ−Ａ方向に見た場合の部分断面図である。 本発明の実施の形態にかかる酸化装置を用いて電流狭窄層を形成した面発光レーザの一例である。 面発光レーザの上面図である。 面発光レーザの側面図である。 面発光レーザのメサ部が形成されたウエハの上面図である。 本発明の実施の形態にかかる酸化装置に用いられる他のウエハ保持部の部分上面図である。 図７ａをＢ−Ｂ方向に見た場合の部分断面図である。 本発明の実施の形態にかかる酸化装置に用いられる他のウエハ保持部の部分断面図である。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる酸化装置の概略図である。酸化装置１００は、例えばステンレス鋼からなるチャンバ１２を含む。チャンバ１２には排気口６６が設けられ、排気口６６はバルブ８４を介して真空ポンプ８６に接続されている。真空ポンプ８６を用いてチャンバ１２の内部１４を排気できる。

チャンバ１２の底部１６には、全体が５０で表される加熱機構が設けられている。加熱機構５０は、ウエハ１０を保持するウエハ保持部２０と、加熱部４０と、加熱部４０を覆うように設けられたカバー部３０を含む。

カバー部３０の中は密閉可能になっており、排吸気口６８を介して内部を排気したり、Ｎ_２ガスを充填したりできる。

チャンバ１２の底部１６の下には、モータ３２を含む回転機構３６が設けられている。回転機構３６は、ウエハ保持部２０に接続されてこれを回転する。ウエハ保持部２０は、ウエハ１０の中心軸をほぼ回転中心として、底部１６の上でウエハ保持部２０を回転させる。

チャンバ１２には、ノズル６２が設けられる。ノズル６２は、バルブ７０、７６を介して水蒸気７２、Ｎ_２ガスに接続される。これにより、水蒸気がノズル６２を介してチャンバ１２の中に供給される。

また、チャンバ１２には、冷却ノズル６４が設けられ、バルブ８０を介して低温Ｎ_２ガスに８２に接続されている。これにより、冷却用の低温Ｎ_２ガスが、冷却ノズル６４を介してチャンバ１２の内部１４に供給される。

図２は、酸化装置１００に含まれる加熱機構５０の断面図である。加熱機構５０のウエハ保持部２０は、側壁部２４と、側壁部２４の上に設けられ、ウエハ１０を載置する上面部２２を有する。側壁部２４は、例えばステンレス鋼、ニッケル合金（商品名：インコネル）、カーボンからなり、上面部２２は、例えば石英、アルミナ等の耐熱性があり、熱伝導性の低い材料からなる。

チャンバ１２の底部１６と、ウエハ保持部２０の側壁部２４との間には、例えばベアリングが設けられ（図示せず）、回転機構３６により、底部１６の上でウエハ保持部２０が回転するようになっている。

ウエハ保持部２０とチャンバ１２の底部１６との間には、加熱部４０と、加熱部４０を覆うカバー部３０とが設けられている。加熱部４０は、ヒータ４４が埋め込まれた加熱板４２が、支持脚４６により底部１６の上に支えられた構造となっている。ヒータ４４には、例えばシースヒータ（ニクロム線）が用いられ、加熱板４２には、銅等の熱伝導性の高い金属が用いられる。このような埋め込みヒータに代えて、カーボンや金属等からなるヒータをむき出し状態で用いても良い。

カバー部３０は、例えば石英からなり、チャンバ１２の底部１６との間はシールされて、密閉可能となっている。加熱部４０から出た輻射熱は、カバー部３０を通って、ウエハ１０を裏面から加熱する。なお、加熱部４０と底部１６との間に、加熱部４０から下方に向かって放出された熱を反射する反射板を設けても構わない。

上述のように、カバー部３０の内部は、排吸気口６８を介して真空にでき、またはＮ_２ガスを充填できる。これにより、チャンバ１２の内部１４に水蒸気が導入された場合でも、加熱部４０は水蒸気に接触しないため、酸化によるヒータ４４の劣化を防止できる。埋め込みヒータのように、耐酸化性のあるヒータであれば、カバー部３０は無くても良い。

図３ａは、ウエハ保持部２０の部分上面図であり、図３ｂは、図３ａをＡ−Ａ方向に見た場合の部分断面図である。

ウエハ保持部２０の上面部２２は、開口部２２ａを有する。開口部２２ａは、酸化するウエハ１０よりやや大きく、開口部２２ａの下方の側面には、内方に張り出した庇部２２ｂが設けられている。ウエハ１０は、裏面の周囲を庇部２２ｂで支えられて、開口部２２ａの中に保持される。なお、図３ｂでは、庇部２２ｂは、開口部２２ａの周囲に環状に設けた突起としたが、ウエハ１０を支持できる限り、部分的に設けても構わない。

図４は、本発明の実施の形態にかかる酸化装置１００を用いて電流狭窄層を酸化した面発光レーザの一例である。面発光レーザは、ＧａＡｓ等の基板上に、ｎ型反射膜（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を有する。ｎ型反射膜は、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子構造からなる。

ｎ型反射膜の上には、ｎ型スペーサ層、活性層、ｐ型スペーサ層が順次積層されている。ｎ型およびｐ型のスペーサ層は、例えばＡｌＧａＡｓからなり、活性層は、例えばＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの量子井戸構造からなる。

ｐ型スペーサ層の上には、電流狭窄層が設けられている。電流狭窄層は、例えば周囲を酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ（代表的にはＡｌ_２Ｏ_３）層としたＡｌＡｓ層からなる。

電流狭窄層の上には、ｐ型反射膜を有する。ｐ型反射膜は、ｎ型反射膜と同様、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子構造からなる。

ＧａＡｓ基板の下、およびｐ型反射膜の上には、それぞれｎ電極およびｐ電極が形成される。ｎ電極は、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなり、ｐ電極は、例えばＡｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる。図４から分かるように、ｎ型反射膜より上方の部分はメサ構造となっている。

面発光レーザでは、ｎ電極とｐ電極の間に電流を流すと、電流狭窄層のＡｌＡｓの領域のみ電流が通過する（狭窄される）。この結果、活性層の一部にのみ電流が流れるため、横モードの発振の制御や、閾値電流の低減が可能となる。活性層で発光した光は、ｐ型反射膜とｎ型反射膜との間でレーザ発振し、最終的に上部から光出力として出射する。

図５ａは、面発光レーザ１０ａの上面図であるが、理解を容易にするために電流狭窄層より上方部分は省略してある。半導体レーザの寸法は、例えば、図５ａにおいて、ｄ_１は１００μｍ、ｄ_２は３０μｍ、ｄ_３は１０μｍ、ｄ_４は１０μｍであり、ＡｌＡｓ層を周囲から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ層とする場合に、高精度で酸化量を制御することが必要となる。図５ｂの側面図に示すように、ＡｌＡｓ層の酸化は、水蒸気雰囲気中に露出したＡｌＡｓ層の側面から、水平方向（図５ｂの矢印方向）に進む。

図６は、２５（５×５）個の面発光レーザ１０ａが表面上に形成されたＧａＡｓ（１００）ウエハ１０の上面図である。面発光レーザの製造工程では、ＧａＡｓ基板上に、ｐ型反射膜からｎ型反射膜までの各層を、例えばＣＶＤ法を用いて堆積した後、マスクを用いたエッチングにより各層をＧａＡｓ基板までエッチングしてメサ構造とする（図５ｂ）。この状態で、ウエハを酸化装置１００に入れて、ＡｌＡｓ層を横方向から酸化して周囲をＡｌ_ｘＯ_ｙ層にし、電流狭窄層を形成する。

図６に示すように、ウエハ１０の上に形成された複数の面発光レーザ１０ａのＡｌＡｓ層を同時に酸化し、しかも酸化の深さ（図５に示す距離ｄ_４）も１０μｍ程度と薄いため、均一な特性の面発光レーザ１０ａを得るためには、ウエハ１０の面内でＡｌＡｓ層を均一に酸化することが必要となる。なお、図６の上面図では、面発光レーザ１０ａは正方形であるが、円形等の他の形状であっても良い。

本発明の実施の形態にかかる酸化装置１００では、加熱部４０のヒータ４４からの輻射熱によりウエハ１０を加熱する。このため、ウエハ１０が高温になり、反りが発生しても、ウエハ１０の温度の分布に影響しない。即ち、従来の方法のように、加熱ステージの上にウエハを載置した基板ホルダを乗せて、加熱ステージからの熱伝導を用いてウエハを加熱する場合、熱によりウエハが反ると、熱伝導が悪くなる部分が発生し、ウエハ内の温度分布が不均一となったが、酸化装置１００では熱伝導ではなく輻射によりウエハを加熱するため、ウエハの反りにより生じるウエハ温度のばらつきを防止できる。

また、本発明の実施の形態にかかる酸化装置１００では、ウエハ保持部２０が回転し、加熱部４０のヒータ４４に対してウエハ１０の相対位置が変わりながら（ウエハ１０が回転しながら）ウエハ１０が加熱される。このため、ヒータ４４の配置に依存したウエハ面内の温度のばらつきを防止できる。

この結果、ウエハ１０の面内での酸化量が均一になり、ウエハ内の面発光レーザの特性のバラツキがなくなり、製造工程の歩留まりが大幅に向上する。

なお、酸化工程における熱酸化条件は、面発光レーザの大きさや、熱酸化の程度に応じて任意に設定できる。熱酸化温度は、例えば４００℃〜５００℃の間に設定するのが好ましい。

また、酸化装置１００の例えば天井部に観察窓を設けて、顕微鏡等を用いてチャンバ１２の内部１４のウエハ１０を観察し、酸化量の調整を行っても良い。

図７ａは、本発明の実施の形態にかかる酸化装置１００に用いられる他のウエハ保持部１２０の部分上面図であり、図７ｂは、図７ａをＢ−Ｂ方向に見た場合の部分断面図である。図７ａ、図７ｂ中、図３ａ、図３ｂと同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

ウエハ保持部１２０では、開口部２２ａに設けられた庇部２２ｂの上に、円筒形状のスペーサ２６が設けられ、その上にウエハ１０を載置する構造となっている。スペーサ２６は、例えば石英からなる。

このように複数の円筒状のスペーサ２６を設けることにより、ウエハ保持部１２０とウエハ１０との接触面積を小さくでき、ウエハ１０からウエハ保持部１２０への、熱伝導による熱の移動を低減し、ウエハ１０内の温度をより均一にできる。

なお、図７ａでは、スペーサ２６を３箇所に設けたが、スペーサ２６の数はこれに限らない。また、図７ａでは、開口部２２ａの周囲に環状に設けられた庇部２２ｂの上にスペーサ２６を設けたが、庇部２２ｂを部分的に設けて、その上にスペーサ２６を設けても構わない。

図８は、本発明の実施の形態にかかる酸化装置１００に用いられる他のウエハ保持部２２０の部分断面図である。図８中、図３ａ、図３ｂと同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

ウエハ保持部２２０では、開口部２２ａに設けられた庇部２２ｂの上に、環状のスペーサ２８が設けられ、その上にウエハ１０を載置する構造となっている。スペーサ２８は、例えば石英からなる。

このように環状のスペーサ２８を設けることによっても、ウエハ保持部２２０とウエハ１０との接触面積を小さくでき、ウエハ１０からウエハ保持部２２０への、熱伝導による熱の移動を低減し、ウエハ１０内の温度をより均一にできる。

本発明の実施の形態では、面発光レーザの電流狭窄層のＡｌＡｓ層の酸化について説明したが、酸化装置１００は、表面酸化膜等の他の熱酸化工程に適用しても、より均一な酸化膜を得ることができる。

１０ ウエハ
１２ チャンバ
１４ 内部
１６ 底部
２０ ウエハ保持部
３０ カバー部
３２ モータ
３６ 回転機構
４０ 加熱部
６２ ノズル
６４ 冷却ノズル
６６ 排気口
６８ 排吸気口
７２ 水蒸気
７８ Ｎ_２ガス
８２ 低温Ｎ_２ガス
８６ 真空ポンプ
９４ Ｎ_２ガス
９６ 真空ポンプ
１００ 酸化装置

Claims (6)

1. 面発光レーザの電流狭窄層を形成するための酸化装置であって、
   密閉可能なチャンバと、
   該チャンバ内に水蒸気を供給する供給部と、
   該チャンバの底部上に回転可能に設けられ、表面と裏面とを備えたウエハを保持するウエハ保持部と、
   該ウエハ保持部を回転させる回転機構と、
   該ウエハ保持部と該チャンバの底部との間に、該ウエハとは非接触に配置された加熱部と、を含み、
   該ウエハ保持部は、開口部が設けられた上面部と、該上面部を該チャンバの底部上に支持する側壁部と、該ウエハの裏面が露出するように該ウエハを該開口部内に保持する庇部とを含み、該加熱部により該ウエハが裏面から加熱されることを特徴とする酸化装置。
2. 上記加熱部は、該加熱部と上記ウエハ保持部との間に設けられた、密閉可能なカバー部で覆われたことを特徴とする請求項１に記載の酸化装置。
3. 上記庇部は、上記開口部の側面に沿って設けられ、該側面から内方に向かって延びた環状の突起であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化装置。
4. 上記庇部の上に、上記ウエハの裏面と接触する複数のスペーサが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化装置。
5. 上記庇部の上に、上記ウエハの裏面と接触する環状のスペーサが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化装置。
6. 上記ウエハ保持部の上面部、上記カバー部、および上記スペーサの少なくとも１つは、石英からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化装置。

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