JP3068075B2 - 化合物半導体製造用水平反応炉 - Google Patents

化合物半導体製造用水平反応炉

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体製作装置の反
応炉、特にGaN半導体製造用水平反応炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】コンピュータ、通信、マルチメディアな
ど未来情報社会用機器に必要な高速化、大容量化、広域
化、個人化、知能化、映像化を満たすことができる化合
物半導体素子は大部分がエピタクシ成長法により製造さ
れる。
【０００３】化合物半導体はディスプレイ用発光ダイオ
ード(LED)、光通信、CD/VD(compactdisc/video disc)用
LD(laser diode)、受光素子、高速コンピュータ(cray)
用素子、衛星通信用素子などに用いられており、今後、
移動通信、高密度ODD(optical digital display)用青色
LD、光コンピュータ用素子などに用いられる展望であ
る。色彩映像、グラフィック及び表示素子等に用いる発
光素子は赤色(red)、緑色(green)、青色(blue)など３色
のLEDを組合わせて全色ディスプレイ(full color displ
ay)を具現している。
【０００４】この中で、青色LEDは約450nm程度の発光波
長を有しIII−Ｖnitride系の半導体材料であるAlN、Ga
N、InNなどで製造する。(AlXGa1-X)1-yInyNは全体組成
範囲(1≧x≧0、1≧y≧0)で直接遷移型エネルギー帯構造
を有し、x、y値の変化によってエネルギー帯間隔を2.0
から6.2eV(使用波長範囲:370〜650nm)まで変えることが
できるため多様な色相を一つの物質で実現することがで
きるという長所がある。
【０００５】III−Ｖ族窒化物半導体を製造するには通
常的に有機金属化学気相蒸着(metalorganic chemical v
apor deposition, MOCVD)装置を使用するが、この装置
は水平反応炉及び垂直反応炉形態に分けられる。
【０００６】垂直反応炉は通常、サセプターを回転させ
て作動させるが、基板縁の反応ガスの流れが速いため薄
膜の厚さの均一性が劣る反面、水平反応炉では層流(lam
inarflow)が基板と平行に形成され垂直反応炉よりは薄
膜の厚さを均一とするのに有利な長所がある。
【０００７】従来の水平反応炉は高温のサセプター(反
応炉内部の基板が置かれる部分)による反応ガスの熱対
流現象を防止する機能を備えていなかったため、熱対流
現象を除去し得ないという弱点を有しており、均一な薄
膜を成長させることは至ることができなかった。厚さを
含む薄膜特性の均一性を向上させるためにサセプターを
回転させる方式の水平反応炉もあったが、ギヤ部分の摩
擦による粉塵発生のおそれがあり、サセプターの回転に
も拘わらず熱対流防止効果が十分ではなかった。
【０００８】GaN半導体を製造する従来技術に関する文
献としては、T. Nakamori, Nikkei Electronics Asia,
6(1), 57(1997), M. Kamp, Compound Semiconductor, 2
(5),22(1996), I. Bhat, Compound Semiconductor, 2
(5), 24(1996), S. Nakamura,Microelectronics, J., 2
5(8), 651(1994)及びS. Strite and H. Morkoc, J. Va
c. Sci. Technol., B10(4), 1237(1992)などがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
の短所などを解決し、均一な薄膜を製造することができ
るGaN半導体製造用水平反応炉を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的のために本発明
によれば、半導体膜が形成される基板を支持するサセプ
ターと、一端部がガス導入部となり他端部が開放された
反応ガス原料通路を画定する上部面と下部面及び二つの
側面を含み、上部面は、該反応ガス原料通路内を流れる
反応ガス原料の層流を誘導する傾斜面をその中間部に有
し、下部面はサセプターを前記傾斜面と対向する位置で
支持する内壁と、前記内壁を囲んでいる外壁と、前記反
応ガス原料通路にアンモニアガスを供給するアンモニア
供給手段と、前記反応ガス原料通路の前記ガス導入部と
連通してアンモニア以外の反応ガス原料を前記反応ガス
原料通路に供給する反応ガス原料供給手段と、反応ガス
原料通路の他の端部と連通して前記反応ガス原料通路か
ら反応ガス原料を排出させる反応ガス原料排出手段と、
アンモニアガスを加熱するためのアンモニアガス加熱手
段、及びサセプターを加熱するためのサセプター加熱手
段を含むことを特徴とする化合物半導体製造用水平反応
炉が提供される。
【００１１】望ましくは、本発明による化合物半導体製
造用水平反応炉は前記サセプターを回転させるサセプタ
ー回転手段を更に含む。
【００１２】さらに望ましくは、アンモニア供給管加熱
手段及びサセプター加熱手段はRFコイルヒータであり、
サセプターは基板を支持し、サセプター回転手段により
回転される回転部と、回転部を囲む固定部を含み、アン
モニア供給管はサセプターの上部面で反応ガス原料供給
手段に向って基板に隣接した位置で開放され、固定部を
貫通して設けられて固定部の加熱によって加熱される。
【００１３】さらに望ましくは、アンモニア供給管は反
応炉側の端部にて、基板周囲に延長される長溝と連結さ
れる。
【００１４】さらに望ましくは、サセプター回転手段は
サセプターとサセプター回転モータを連結させる磁性流
体動力伝達部を含む。
【００１５】さらに望ましくは、本発明の他の一面に
て、アンモニア供給管の加熱手段はアンモニア供給管を
囲む電気抵抗ヒータであり、サセプター加熱手段はサセ
プター下部に位置した電気抵抗ヒータであり、アンモニ
ア供給管は前記内壁の下部面にて反応ガス原料供給手段
に向かってサセプターに隣接した位置で開放される。
【００１６】さらに望ましくは、反応炉はサセプターに
ガスを供給する第１ガス供給手段と第２ガス供給手段を
さらに含み、サセプターは前記内壁の下部面上に支持さ
れるサセプターブロックと、サセプター中心円筒部とサ
セプター回転部とを含み、サセプターブロックはサセプ
ター回転部とサセプター中心円筒部とを受容する湾入部
と、第１及び第２ガス供給手段から供給されるガスが流
入される第１及び第２ガス供給管と、ガスを流出させる
流出口とを含み、サセプター中心円筒部は開放された端
部が前記湾入部の底面に固定される中空円筒形の形状を
有すると共に、複数の貫通開口を含み、サセプター回転
部は基板を支持する本体部と本体部との下部から延長さ
れ、サセプター中心円筒部を取り囲む中空円筒部を含
み、中空円筒部はその外周縁に提供された複数の羽根を
含み、湾入部の底面には前記第１ガス供給管が連結され
て第１ガス管を通じて供給されたガスが湾入部の底面と
前記サセプターの中心円筒部の内部により限定された空
間に充填され複数の貫通開口などを通じてサセプターの
中心円筒部とサセプター回転部の中空円筒部との間に流
入して中空円筒部の表面に圧力を加えてサセプター回転
部を上昇させ、湾入部の側壁には第２ガス供給管が連結
されて第２ガス供給管を通じて供給されたガスがサセプ
ター回転部の中空円筒部と前記サセプターブロックの湾
入部との間の空間に流入して前記複数の羽根と衝突して
前記サセプター回転部を回転させるように構成してなっ
ている。
【００１７】本発明によるGaN半導体製造用水平反応炉
では基板が置かれたサセプターを磁性流体動力伝達部又
はガスの流動を用いて回転させることにより、ギヤ部分
などの摩擦による粉塵発生の問題がなく、約1,000℃の
高温を要する窒素イオン供給源であるアンモニアガスを
熱分解する部分を別個に提供し、熱分解されたアンモニ
アガスの供給を基板の近くで行い、反応原料と予め反応
することを防ぎ、かつ高温で加熱されたサセプターによ
る反応ガスの熱対流で薄膜成長が阻害されることを防ぐ
ためサセプター上部の内壁をガス排出口側に傾斜角を成
すことにより良質の薄膜が成長し得るようにする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して本発明
を詳細に説明する。
【００１９】図１乃至図１１に本発明の第１実施例を示
す。図１に本発明の第１実施例によるGaN半導体製造用
水平反応炉が示されている。本発明の反応炉は化合物半
導体形成のための反応工程としてMOCVD工程に主に使用
されるためのものではあるが、前記目的に適合な他の工
程にも使用することもできる。
【００２０】図１に示された反応炉(1)は反応炉外壁(2)
と、反応ガス原料の層流を誘導する内壁(3)と、反応ガ
ス原料供給部(9)と、基板(17)が置かれるサセプター(6)
と、サセプターを回転させる磁性流体動力伝達部(8)
と、基板を加熱するためのRF(radio frequency)ヒータ
(12)と、反応炉から反応ガスを排出させる反応ガス排出
部(13)を含む。反応炉(1)はゲート弁(14)を通じて基板
ローディングチャンバー(15)と連結される。
【００２１】外壁(2)は反応ガス圧力を維持する役割を
し、外壁の外部にコイル形状に配置されたRFヒータ(12)
により加熱されない透明絶縁体である石英管からなって
おり、水冷ジャケット支持台(10)により固定されてい
る。
【００２２】内壁(3)はRFヒータで加熱されない石英管
からなっており、一方の端は反応原料ガス供給部(9)と
連結されており、原料ガスを噴射するシャワー部(5)と
熱対流を抑制するように作られた傾斜部(4)を含む。GaN
半導体製造のための反応ガス等のうち、アンモニアを除
いた原料ガスの流動はガスが噴射されるように一定間隙
で孔を開けたシャワー部(5)を通過してサセプター(6)の
入口で、高温で加熱されたアンモニアガスから発生され
た窒素イオンガスと混合されて基板上を通り過ぎる。窒
素イオンガス及び他の原料ガスは内壁(3)の中間部に位
置したサセプター(6)上の基板(17)上にGaN半導体薄膜を
形成する。基板(17)は後述した通り、基板の上で成長す
る薄膜の厚さの均一性を向上させるためにサセプター
(6)により回転可能である。
【００２３】MOCVD工程でGaN半導体を成長させる時、1,
000℃以上の高温加熱が必要となるため、反応ガス即
ち、ハイドライド(hydride)ガスと有機金属(MO)ソース
などが高い温度のサセプター(6)の上で熱対流現象によ
り基板(17)に安着されず浮上することになる。熱対流を
除去しなければ薄膜が均一にならないのみならず、薄膜
を全く成長させることができないこともある。かかる熱
対流を除去するために内壁(3)の中間部に傾斜面(4)を提
供することにより、層流が高温であるサセプターによる
熱対流の影響無しに、GaN半導体成長反応が起こる基板
(17)上に到達することができる。傾斜面の傾斜角は基板
のサイズ及び原料ガスの流動速度に応じて異なり、基板
上に層流を形成することもできるように選択される。内
壁に傾斜面(4)をサセプターと対向する位置に形成する
ことにより原料ガスの流動は傾斜面との衝突により高温
の基板による原料ガスの加熱にも拘わらず、下方に即
ち、基板に向かって集中される。従って、本発明の内壁
はその傾斜面により原料ガスの流動を案内して原料ガス
の安定された層流をできるだけ基板上に集中させて効率
的な薄膜成長を可能にさせ、基板周囲の内壁に付着され
る原料の損失をも減少させる。
【００２４】図２〜図６に本発明による化合物半導体製
造用の水平反応炉の内壁を示す。内壁はアンモニアガス
を除いた反応ガス原料を供給する反応ガス原料供給部
(9)と連結されて内壁の反応空間に反応ガス原料を導入
する円筒型の導入部(40)と、サセプターを支持する支持
部(46)を有する下部壁(45)と、サセプターの上に位置し
た傾斜面(4)を有する上部壁(42)と、上部壁と下部壁を
連結する側壁(43,44)を含む。上部壁、下部壁及び側壁
は反応ガスの通路となる矩形断面形状の通路を形成す
る。拡張部(41)は導入部(40)と通路とを連結する。拡張
部(41)を過ぎて通路が始まる所で反応ガスはシャワー部
(5)を経て噴射される。下部面(45)の略中間で下部面(4
5)から外部に突出された支持部(46)は後述するサセプタ
ーの(図９の)突起(48)が入り込む溝(33)を有する。上部
壁(42)の傾斜面(4)は支持部(46)により支持されるサセ
プター上の基板に対向して位置する。反応ガスは基板上
を過ぎて導入部とは反対側にある内壁の端部を通じて排
出される。
【００２５】外壁(2)と内壁(3)との間の空間には内壁に
より囲まれた空間内の反応ガスの圧力を維持する役割を
する例えば、水素ガスなどのガスが流動される。外壁と
内壁との間の空間を通過したガスは内壁の端部で排出さ
れた原料ガスの流動と混合されて、(図示せず)ポンプに
連結された反応ガス排出部(13)を通じて反応炉の外部へ
排出される。従って、反応に必要な圧力が維持され反応
ガスが続いて供給される。
【００２６】図７〜図１０に本発明による化合物半導体
製造用水平反応炉のサセプターを示す。サセプター(6)
は基板(17)を支持し回転させる回転部(30)と、回転部(3
0)を囲む固定部(31)を含む。固定部の両側面には内壁
(3)の下部壁(45)の支持部(46)の溝(33)に入り込む突起
(48)を有する側面部(47)が付着される。固定部と回転部
との間の間隔はできるだけ小さくするのが良く、サセプ
ター加工の容易性を考慮して約1mmとすることができ
る。アンモニア供給管(7)が固定部(31)を貫通して固定
部(31)の内部に位置される。アンモニア供給管は固定部
(31)が内壁(3)に固定された時、回転部(30)を基準とし
て反応ガス原料供給部(9)を向かった方で固定部(31)に
形成された長い溝(50)に連結されて内壁(3)の内部空間
への流体移動通路を形成する。
【００２７】図１１に、組立てた状態のサセプターを詳
細に示す。基板(17)が装着されたサセプター(6)の回転
部(30)は基板の上で成長する薄膜の厚さを含む薄膜品質
の均一性を向上させるために回転する。回転部(30)は
(図１の)サセプター回転モータ(51)と磁性流体動力伝達
部(8)で連結され、これにより回転及び真空封入が円滑
になる。サセプターの回転部(30)とその上に置かれた基
板(17)は内壁(3)の下部面(45)と事実上同一な平面上に
位置する。サセプター(6)の回転部(30)と、固定部(31)
と、側面部(32)は黒煙からなり、SiC(silicon carbide)
でコーティングされる。サセプター(6)全体はRF誘導コ
イルで加熱され、RF誘導コイルは外壁を囲まれたコイル
形状の加熱部(12)の形態で提供される。サセプターの加
熱に応じて、固定部(31)の内部を貫通するアンモニア供
給管(7)が加熱され、その内部のアンモニアガスが加熱
されて窒素イオンで予め分解されて溝(50)に噴射され
る。溝(50)は基板(17)の直径よりやや長く形成されて窒
素イオンの流動が基板全体上で均一に起るようにする。
窒素イオン排出のための溝をサセプターの固定部(31)上
で基板(17)近く位置させることにより窒素イオン流動が
基板の直上で成されるようにしてGaN半導体薄膜形成反
応に必要な窒素イオンの密度を増加させる。窒素イオン
流動がこのように成されると内壁(3)内の反応空間での
滞留時間が短縮されるため、アンモニアガスへの還元が
減少され、窒素イオン流動がシャワー部(5)からの他の
原料ガス等の流動により基板(17)を向かう方向に密着さ
れるように加圧されるため、窒素イオンの密度はさらに
増加する。
【００２８】以上、本発明の第１実施例による化合物半
導体製造用水平反応炉に対して説明した。第１実施例に
よる反応炉はアンモニア供給管がサセプター内部に一体
に形成され、サセプターとアンモニアが外壁に巻き取ら
れたRF加熱部により同時に加熱されるため、サセプター
とアンモニアの加熱のためのヒータなどを外壁内部に設
置する必要がなく、構造が簡単であるという長所を有す
る。
【００２９】図１２〜図１８に本発明の第２実施例を示
す。図１２に示されたGaN半導体製造用水平反応炉はア
ンモニアガス供給管がサセプター内部を貫通せず、サセ
プターとは別途の供給管を通じて、内壁に限定された反
応空間内部へ供給される。サセプターとアンモニア供給
管の加熱はそれぞれ別途のヒータにより行われる。第１
実施例ではサセプターとアンモニアガスの加熱がRF加熱
部による黒煙材質のサセプターの加熱により同時になさ
れ同温度(例えば、800℃)で遂行されるものの、第２実
施例では別途のヒータによる別途の制御が可能であるた
め、アンモニアガスの熱分解温度は約1000℃で、サセプ
ター上の基板の加熱温度は1000℃より低い所定の適切な
温度で維持して反応に必要な最適条件が維持されるよう
にする。
【００３０】以下、本発明の第２実施例によるGaN半導
体製造用水平反応炉を図１２〜図１８を参照して説明す
る。第１実施例と同一な部品は同一な参照符号を用いそ
の説明は省略した。
【００３１】図１２に示されたGaN半導体製造用水平反
応炉(100)にて、アンモニアガス供給部(110)と、サセプ
ターを支持するための基部板(120)が外壁(101)の下部か
ら突出した支持部(102)に(図示せず)ボルトにより固定
される。基部板(120)には支持部(102)と基部板(120)と
の間をシールするＯリング(図示せず)を受容する溝(12
1)が提供される。その上に基板(17)が置かれるサセプタ
ー(130)が軸(134)を通じて磁性流体回転部(135)に連結
され、磁性流体回転部(135)により基部板(120)に固定さ
れる。アンモニアガス供給部(110)は基部板(120)に提供
された開口(122)を通じて置かれておりアンモニアガス
供給部支持板(111)により基部板(120)に固定される。ア
ンモニアガス供給部支持板(111)にはこの支持板(111)と
基部板(120)との間をシールするＯリング(図示せず)を
受容する溝(112)が提供される。
【００３２】図１３に第２実施例のアンモニア供給部(1
10)と、サセプター(130)及び基部板(120)を詳細に示
す。アンモニア供給部(110)はその中心に位置したアン
モニア供給管(113)と、アンモニア供給管(113)の上部を
囲むヒータ管(114)と、ヒータ管の下にてアンモニア供
給管(113)を囲む本体(115)と、本体(115)の下に位置し
周囲からアンモニア供給管(113)をシールする迅速結合
式シール部(quick couplingseal, 116)を含む。本体(11
5)はその側面に形成された動力供給通路(117)と、その
内部に形成されヒータ管(114)の熱から迅速結合式シー
ル部(116)などを保護する冷却水通路(118)を有する。ヒ
ータ管(114)はその一端部でヒータ管より大きい厚さと
直径を有するフランジ型の基部(119)に連結される。基
部(119)はヒータ管の配線(図示せず)と連結され、配線
からヒータを作動させる動力を伝達し、高温のヒータ管
(114)を周辺部と絶縁する役割をする。ヒータ管の配線
は動力供給通路(117)を通じて反応炉(100)外部の電源
(図示せず)と連結される。本体(115)は溶接により支持
板(111)に固定される。支持板(111)は図示されないボル
トにより基部板(120)に固定される。支持板(111)と基部
板(120)の材質としてはステンレス鋼が使用される。
【００３３】ヒータ管(114)としてはPBNヒータが使用さ
れる。アンモニアとサセプターの加熱が外壁を囲むRFコ
イルでなく、別途のヒータで遂行されるため、反応炉の
外壁(101)は例えば、ステンレス鋼で製作することがで
きる。
【００３４】サセプター(130)はSiCコーティングされた
黒煙円板で作られ、その上部面に基板が置かれるリーセ
スを有する。サセプター(130)はその下部面と周縁にて
モリブデン板(131)で囲まれる。通常、モリブデン板(13
1)の下にはモリブデン板と間隔を置いてヒータ(132)が
位置される。ヒータ(132)としてはPBNヒータが使用され
る。モリブデン板(131)はヒータ(132)から受けた熱を分
散させてサセプター(130)が均一な温度分布となるよう
に加熱させる。ヒータ(132)はモリブデン板と対面する
部分を除いた部分にて放熱板(133)で囲まれヒータ(132)
からの熱がモリブデン板(131)に効果的に集中し反応炉
の他の部分に向わないようにする。モリブデン板は軸(1
34)を通じて磁性流体回転部(135)に連結される。サセプ
ター(130)を回転させるための駆動力は反応炉の下方に
位置したモータ(137)からカップリング(136)と磁性流体
の回転部(135)、そして軸(134)を経てモリブデン板(13
1)に伝達される。ヒータ(132)は基部板(120)に固定され
た支持台(138)により支持される。磁性流体回転部(135)
は基部板(120)の下部面の湾入部(139)に螺着される。磁
性流体回転部(135)と湾入部(139)との間には気密のため
のＯリング(図示せず)を受容する溝(140)がある。Ｏリ
ングなどを保護するための冷却水通路(141)が基部板内
部を通じて形成されている。
【００３５】更に、図１２からみると、アンモニア供給
部(115)のアンモニア供給管(113)はその上端部にて内壁
(103)の下部面(145)から突出したチューブ型突出部(14
6)に挿入されている。ヒータ管(114)はチューブ型突出
部(146)の端部と接触する。チューブ型突出部(146)は下
部面(145)と出合う部分で内壁(103)の縦方向に長溝(14
8)を形成する。このような構成により発生した窒素イオ
ンガスは内壁(103)から限定された反応空間内へ流入さ
れ、チューブ型突出部とヒータ管との間の漏洩は無視で
きる程度である。
【００３６】アンモニア供給管(113)の下部に供給され
たアンモニアガスは、アンモニア供給管(113)のヒータ
管(114)で囲まれた部分を通過しながら約1000℃で加熱
される。加熱されたアンモニアガスは熱分解されて窒素
イオンガスを形成し、形成された窒素イオンガスはアン
モニア供給管の上部端部を通じてアンモニア供給部(11
0)から排出されチューブ型突出部(146)を通じて内壁内
の反応空間内へ流動する。窒素イオンガスが反応ガス供
給部(9)からの他の原料ガス流動と混合されて基板(17)
上で反応原料ガス流動を形成することになるのは実施例
１と同様である。
【００３７】サセプター(130)は内壁(103)の下部面(14
5)に形成された開口(147)に、モリブデン板(131)とサセ
プター(130)と、サセプター上に装着された基板(17)が
内壁(103)の下部面(145)と略同一面を成すように位置す
る。開口(147)とモリブデン(131)との間の間隔は加工を
考慮して略1mmとする。
【００３８】図１４〜図１８に本発明の第２実施例によ
る反応炉の内壁(103)を示す。第２実施例の内壁(103)
は、第１実施例の内壁(3)の下部面(45)上の支持部(46)
の代りに、アンモニア供給管(113)と結合されるチュー
ブ型突出部(146)と、サセプター(130)が位置される開口
(147)が下部面(145)上に提供されるという点で異なる。
【００３９】図１９〜図３２に本発明の第３実施例を示
す。図１９に示されたGaN半導体製造用水平反応炉には
サセプターの回転が反応炉外部から供給されたガスがサ
セプター内部を貫通・流動することにより成される。サ
セプターの加熱は第１実施例のように外壁の外部にコイ
ル形状に配置されたRFヒータ(212)によりなされる。
【００４０】以下、本発明の第３実施例によるGaN半導
体製造用水平反応炉を図１９〜図３２を参照して説明す
る。第１実施例及び第２実施例と同一及び類似な部品は
同一の参照符号又は200を加えた参照符号を用い、その
説明は省略した。
【００４１】図１９に示されたGaN半導体製造用水平反
応炉(200)はサセプター(230)の回転がガス供給部(210,2
12)を通じて反応炉(200)の外部から供給される水素ガス
などのガスの流動によりなされるとの点で第２実施例と
差異がある。また、アンモニアガス供給部(110)が水平
に反応ガス原料供給部(209)にベルト(214)で装着され、
アンモニアガス供給部(110)から供給される加熱された
アンモニアガスは拡散案内部(216)を通じて、内壁(203)
に限定された反応空間へ供給されるとの点で第２実施例
と差異がある。第３実施例は磁性流体動力伝達部を使用
しないため、磁性流体動力部の装着及び保護のための設
計の必要がなく、アンモニアガス供給部(110)が水平に
装着されるため、反応炉の外壁(202)にアンモニアガス
供給部の装着のための開口などを提供する必要がなく、
その結果反応炉の構造が単純になり、製作が容易になる
という長所がある。
【００４２】図２０〜図２３は第３実施例の内壁(203)
の構造を示す。内壁(203)は拡散案内部(216)を通過した
アンモニアガスが反応空間へ流入されるスリット(218)
をシャワー部(5)に隣接して有する。スリットと内壁(20
3)の出口との間には傾斜面(4)に対向する位置にサセプ
ター(230)を受容するサセプター受容部(220)が提供され
る。
【００４３】図２４を参照してサセプター(230)の回転
作動を説明する。サセプター(230)は図２５〜図２７を
参照して後述するサセプターブロック(260)、サセプタ
ー回転部(262)及びサセプター中心円筒部(264)を含む。
サセプター中心円筒部(264)の底に連結されたガス供給
管(266)を通じて、ガス供給部(212)から加圧された水素
ガスが供給され、水素ガスはサセプター中心円筒部(26
4)の円筒形壁に設けられた複数の開口(268)を通じて吐
出されてサセプター中心円筒部(264)と、サセプター中
心円筒部(264)を取り囲むサセプター回転部(262)の湾入
部(270)との間の間隔に流動する。サセプター回転部(26
2)の湾入部(270)の表面に作用する水素ガスの圧力はサ
セプター回転部(262)をサセプターブロック(260)の端(2
72)に安着された位置からサセプター回転部(262)上に装
着された基板(17)が下部壁(245)とサセプターブロック
(260)の上部面(278)と同一面になる位置まで上昇させ
る。水素ガスの流動によるこのような上昇作動はガス供
給管(266)を通じた水素ガスの流量を図示しない質量流
動制御器(mass flow controller, MFC)により制御する
ことにより制御可能である。
【００４４】サセプター回転部(262)が作動位置に上昇
するとガス供給部(210)からの水素ガスがガス供給管(28
0)を介してサセプター回転部(262)とサセプターブロッ
ク(260)との間の間隔に流入する。流入された水素ガス
はサセプター回転部(262)の下部周縁に提供された羽根
(282)と衝突してサセプター回転部(262)を回転させる。
サセプター回転部(262)の回転速度はガス供給管(280)を
通じた水素ガスの流量を図示しない質量流動制御器によ
り制御することにより制御可能である。流入された水素
ガスはサセプターブロック(260)の端(272)に設けられた
流出口(284,286)を通じて内壁(203)と外壁(202)との間
の空間に排出され、内壁(203)とサセプター(230)に限定
される反応空間には影響を及ぼさない。薄膜成長が完了
した後にはガス供給管(266,280)を通じたガス流動を各
々制御してサセプター回転部(262)の回転を止めた後、
サセプター回転部(262)をサセプターブロック(260)の段
(272)上の安着位置に下降させる。
【００４５】図２５〜図２７を参照してサセプターブロ
ック(260)の各部分を詳細に説明する。サセプターブロ
ック(260)は略直方体の形状を有しSiCコーティングされ
た黒鉛で作られる。ブロックの上部面(278)の略中心部
にはサセプター回転部(262)とサセプター中心円筒部(26
4)を受容するための湾入部(288)が提供される。湾入部
(288)はブロックの上部面(278)から湾入部の底(290)ま
で同芯に配置された段(272,274,276)とこれらの間を連
結する円型側壁(292,294,296,298)を有する。各段はサ
セプター回転部(262)を安着させるのに適合なサイズ及
び位置を有する。サセプターブロック(260)の下部面(30
6)にはガス供給管(266)を受容するためにサセプターブ
ロック(260)の縦方向に延長する開口(302)とこの開口(3
02)を取り囲む突出部(308)が提供される。開口(302)の
一方側端部はサセプターブロック(260)の一側面(310)に
て開放され、他方側端部は開口(302)の縦方向と垂直に
底(290)の中心で開放される。突出部はサセプター(230)
が内壁(203)に装着された状態で内壁(203)のサセプター
受容部(220)に設けられた切取部(311)に入り込む。サセ
プターブロック(260)の湾入部の側壁(294)に隣接してガ
ス供給管(280)を受容するためにサセプターブロック(26
0)の縦方向に延長する開口(300)が提供される。開口(30
0)の一方側端部はサセプターブロック(260)の一側面(31
0)にて開放され、他方側端部は湾入部の側壁(294)で開
放される。サセプターブロック(260)の中心線に対して
開口(300)と対向する位置にサセプターブロック(260)の
縦方向に延長する開口(304)がさらに提供される。開口
(304)の一方側端部はサセプターブロック(260)の一側面
(310)で開放され、他方側端部は湾入部の側壁(294)と段
(274)が出合う地点で開放される。開口(304)にはガス供
給管(266,280)と同様に石英で作られた(図示せず)管が
挿入されて、サセプター(230)を反応炉(200)にローディ
ング及びアンローディングするとき、ガス供給管(266,2
80)と共にサセプター(230)を支持する役割を果し、管を
通じて熱電対が挿入されてサセプターの温度を測定する
ことができるようにする。
【００４６】図２８及び図２９を参照してサセプター中
心円筒部(264)の各部分を詳細に説明する。サセプター
中心円筒部(264)はSiCコーティングされた黒鉛で作られ
一方がふさがった中空円筒型状を有する。サセプター中
心円筒部(264)の開放された端部は湾入部の底(290)に
(図示せず)ボルトなどにより固定される。サセプター中
心円筒部(264)の側壁には多数の貫通開口(312)が均一に
配置される。ガス供給管(266)を通じて供給された水素
ガスはサセプター中心円筒部(264)の内部とサセプター
ブロック(260)の湾入部(288)の底(290)により限定され
た空間を経て開口(312)を通じて吐出される。
【００４７】図３０〜図３２を参照してサセプター回転
部(262)の各部分を詳細に説明する。サセプター回転部
(262)はSiCコーティングされた黒鉛で作られ、本体部(3
22)と、本体部(322)の上部面に提供されて基板(17)を支
持するリセス(324)と、本体部(322)の下部で下方に延長
される中空円筒部(326)を含む。中空円筒部の内部の空
間はサセプター中心円筒部(264)を取り囲む湾入部(270)
を限定し、中空円筒部(326)の外部面にはその周縁に沿
って複数の羽根(282)が均一に提供される。
【００４８】
【発明の効果】前述した構成により本発明による水平反
応炉はサセプター上を通り過ぎて流動する反応ガスの熱
対流現象を除去し、基板上に原料ガスの層流流動の形成
を誘導することによりGaN半導体の高品質エピタキシャ
ル薄膜成長を可能にする効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による反応炉の断面図。
【図２】反応炉の内壁の平面図。
【図３】図２の線III−IIIによる内壁の断面図。
【図４】内壁の底面図。
【図５】内壁の左側面図。
【図６】内壁の右側面図。
【図７】サセプターの平面図。
【図８】図７の線IIX−IIXによるサセプターの断面図。
【図９】図８の線IX−IXによるサセプターの断面図。
【図１０】図８の線Ｘ−Ｘによるサセプターの断面図。
【図１１】サセプターとサセプター周囲内壁の部分拡大
断面図。
【図１２】本発明の第２実施例による反応炉の断面図。
【図１３】サセプターと窒素イオン供給部を示した断面
図。
【図１４】反応炉の内壁の平面図。
【図１５】図１４の線XV−XVによる内壁の断面図。
【図１６】内壁の底面図。
【図１７】内壁の左側面図。
【図１８】内壁の右側面図。
【図１９】本発明の第３実施例による反応炉の断面図。
【図２０】反応炉の内壁の平面図。
【図２１】図２０の線XXI−XXIによる内壁の断面図。
【図２２】内壁の左側面図。
【図２３】内壁の右側面図。
【図２４】内壁に装着され、ガス供給部に連結された状
態のサセプターの拡大断面図。
【図２５】サセプターブロックの平面図。
【図２６】図２５の線XXVI−XXVIによるサセプターブロ
ックの断面図。
【図２７】図２６の線XXVII−XXVIIによるサセプターブ
ロックの断面図。
【図２８】サセプターの中心固定部の平面図。
【図２９】サセプターの中心固定部の正面図。
【図３０】サセプター回転部の平面図。
【図３１】図３０の線XXXI−XXXIによる断面図。
【図３２】図３１の線XXXII−XXXIIによる断面図。
【符号の説明】
1 : 反応炉 2 : 外壁 3 : 内壁 4 : 傾斜面 5 : シャワー部 6 : サセプター 7 : アンモニア供給管 8 : 磁性流体動力伝達部 9 : 反応ガス原料供給部 10 : 水冷ジャケット 11 : 反応炉支持台 12 : 加熱部(RF誘導コイル) 13 : 反応ガス排出部 14 : ゲート弁 15 : 基板ローディングチャンバー 17 : 基板 30 : 回転部 31 : 固定部 33, 50, 112, 121, 140, 148 : 溝 40 : 導入部 41 : 拡張部 42 : 上部壁 43, 44 : 側壁 45 : 下部面 46 : 支持部 47 : 側面部 48 : 突起 100 : 反応炉 101 : 外壁 102 : 支持部 110 : アンモニアガス供給部 111 : アンモニアガス供給部支持板 113 : アンモニア供給管 114 : ヒータ管 115 : 本体 116 : 迅速結合式シール部 117 : 動力供給通路 118 : 冷却水通路 119 : 基部 120 : 基部板 122 : 開口 130 : サセプター 131 : モリブデン板 132 : ヒータ 133 : 放熱板 134 : 軸 135 : 磁性流体回転部 136 : カップリング 137 : モータ 139 : 湾入部 141 : 冷却水通路 145 : 下部面 146 : チューブ型突出部 147 : 開口 210,212 : ガス供給部 216 : 拡散案内部 230 : サセプター 260 : サセプターブロック 262 : サセプター回転部 264 : サセプター中心円筒部 266,280 : ガス供給管 282 : 羽根
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 33/00 C30B 25/00 C30B 29/00 C23C 16/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体膜が形成される基板を支持するサ
    セプターと、一端部がガス導入部となり他端部 が開放された反応ガス
    原料通路を画定する上部面と下部面及び二つの側面を含
    み、上部面は、該反応ガス原料通路内を流れる反応ガス
    原料の層流を誘導する傾斜面をその中間部に有し、下部
    面はサセプターを前記傾斜面と対向する位置で支持する
    内壁と、 前記内壁を囲んでいる外壁と、 前記反応ガス原料通路にアンモニアガスを供給するアン
    モニア供給手段と、前記反応ガス原料通路の前記ガス導入部 と連通してアン
    モニア以外の反応ガス原料を前記反応ガス原料通路に供
    給する反応ガス原料供給手段と、 反応ガス原料通路の他の端部と連通して前記反応ガス原
    料通路から反応ガス原料を排出させる反応ガス原料排出
    手段と、 アンモニアガスを加熱するためのアンモニアガス加熱手
    段、及びサセプターを加熱するためのサセプター加熱手
    段を含むことを特徴とする化合物半導体製造用水平反応
    炉。
  2. 【請求項２】 前記サセプターを回転させるサセプター
    回転手段を更に含むことを特徴とする請求項１記載の化
    合物半導体製造用水平反応炉。
  3. 【請求項３】 前記アンモニア加熱手段及び前記サセプ
    ター加熱手段はRFコイルヒータであり、 前記サセプターは基板を支持しサセプター回転手段によ
    り回転される回転部と、回転部を囲む固定部とを含み、 前記アンモニア供給手段は、サセプターの回転部に隣接
    した位置にて一端部が開放されたアンモニア供給管を含
    み、アンモニア供給管はサセプターの固定部を貫通して
    設けられ固定部の加熱に応じて加熱されることを特徴と
    する請求項２記載の化合物半導体製造用水平反応炉。
  4. 【請求項４】 サセプターの固定部上面に基板周囲に延
    長される長溝が形成され、前記アンモニア供給管の前記
    端部が前記溝と連結されることを特徴とする請求項３記
    載の化合物半導体製造用水平反応炉。
  5. 【請求項５】 前記サセプター回転手段は、サセプター
    とサセプター回転モータを連結させる磁性流体動力伝達
    部を含むことを特徴とする請求項２記載の化合物半導体
    製造用水平反応炉。
  6. 【請求項６】 前記アンモニア供給手段は、前記内壁の
    下部面のサセプターに隣接した位置で一端部が開放され
    たアンモニア供給管を含み、 前記アンモニア加熱手段は前記アンモニア供給管を囲む
    電気抵抗ヒータであり、前記サセプター加熱手段はサセ
    プター下部に位置した電気抵抗ヒータであることを特徴
    とする請求項２記載の化合物半導体製造用水平反応炉。
  7. 【請求項７】 前記内壁は前記アンモニア供給管を受容
    し内壁の下部面から下向突出するチューブ型突出部を有
    し、チューブ型突出部は前記内壁の下部面と出合う部分
    にて内壁の縦軸と垂直に延長された長溝を有することを
    特徴とする請求項６記載の化合物半導体製造用水平反応
    炉。
  8. 【請求項８】 前記反応炉はサセプターにガスを供給す
    る第１ガス供給手段と第２ガス供給手段をさらに含み、 前記サセプターは前記内壁の下部面上に支持されるサセ
    プターブロックと、サセプター中心円筒部とサセプター
    回転部とを含み、 前記サセプターブロックは前記サセプター回転部と前記
    サセプター中心円筒部とを受容する湾入部と、前記第１
    及び第２ガス供給手段から供給されるガスが流入される
    第１及び第２ガス供給管と、前記ガスを流出させる流出
    口とを含み、 前記サセプター中心円筒部は開放された端部が前記湾入
    部の底面に固定される中空円筒形の形状を有すると共に
    複数の貫通開口を含み、 前記サセプター回転部は基板を支持する本体部と本体部
    との下部から延長され、前記サセプター中心円筒部を取
    り囲む中空円筒部を含み、前記中空円筒部はその外周縁
    に提供された複数の羽根を含み、 前記湾入部の底面には前記第１ガス供給管が連結されて
    前記第１ガス管を通じて供給されたガスが前記湾入部の
    底面と前記サセプターの中心円筒部の内部により限定さ
    れた空間に充填され前記複数の貫通開口などを通じて前
    記サセプターの中心円筒部と前記サセプター回転部の中
    空円筒部との間に流入して中空円筒部の表面に圧力を加
    えて前記サセプター回転部を上昇させ、前記湾入部の側
    壁には前記第２ガス供給管が連結されて第２ガス供給管
    を通じて供給されたガスが前記サセプター回転部の中空
    円筒部と前記サセプターブロックの湾入部との間の空間
    に流入して前記複数の羽根と衝突して前記サセプター回
    転部を回転させるように構成してなることを特徴とする
    請求項１記載の化合物半導体製造用水平反応炉。
JP972899A 1998-01-17 1999-01-18 化合物半導体製造用水平反応炉 Expired - Lifetime JP3068075B2 (ja)

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