JP3778992B2

JP3778992B2 - 窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーター

Info

Publication number: JP3778992B2
Application number: JP10287396A
Authority: JP
Inventors: 晃山口; 仲男阿久津; 利明山▲崎▼
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: JPH09289074A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア等の腐食性ガスを用いる気相成長装置（ＣＶＤ装置）等に好適な窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図３は、ＣＶＤ装置の要部を示す概略図であって、反応管（反応炉）内に設置したフローチャンネル１内に原料ガスを導入し、サセプタ２に載置した基板３に所定の半導体薄膜を形成するものである。サセプタ２は、薄膜の均一性を図るために軸４により回転駆動されるもので、基板３は、サセプタ２の裏面に配置したヒーター５によりサセプタ２を介して所定温度に加熱される。また、ヒーター５の裏面には、熱を有効に利用するための反射板６が設けられており、前記軸４とヒーター５の端子部５ａ及びヒーター保持用の碍子７が、この反射板６を貫通するようにして設けられている。なお、軸４は中空軸であって、その内部には温度検出器８が設けられている。
【０００３】
このようなＣＶＤ装置において、基板３を加熱する手段としては、上述のようにヒーター５による抵抗加熱の他、ＲＦコイルによる誘導加熱やランプによる加熱等も考えられるが、ヒーター５による加熱が経済的で温度均一性も得やすいという利点を有している。
【０００４】
抵抗加熱を行うヒーター５のヒーター材質（発熱体）として、通常は、高融点金属を用いているが、雰囲気中にアンモニアのような腐食性ガスが存在すると、この腐食性ガスが回転するサセプタ２と反射板６との間や反射板６とフローチャンネル１の開口部との間からヒーター５部分に侵入し、ヒーター加熱時に金属を腐食させて破断させることがあり、ヒーターとしての機能が失われるだけでなく、腐食により発生した金属酸化物が基板を汚染する原因となる。
【０００５】
例えば、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜をＭＯＣＶＤ法により製造する場合、この反応系においては、基板３を最高約１２００℃に加熱し、原料ガスとして有機金属とアンモニアとを用いるのが一般的であり、これらの原料ガスをガス導入路からフローチャンネル１内に導入してサセプタ２上に載置された基板３の上部で加熱し、化学反応によりガリウム窒素膜を基板３に堆積させる。したがって、アンモニア等の腐食性の強いガスを高温に加熱するため、反応管やフローチャンネル１は、石英等の腐食に十分耐えられる材質により形成している。
【０００６】
一方、ヒーター５においては、ヒーター５を反応管内の雰囲気と隔絶してアンモニア等の腐食性の強いガスとの接触を断つことも考えられるが、このような構造をとると、ヒーター５から基板３への熱伝達効率が低下し、ヒーター５自体の温度を上げなければならず、材質の選択が制限されることと、反応管内の構造が複雑になるため、大幅なコストアップとなり、現状にそぐわない。
【０００７】
そこで近来、ヒーター５の発熱体の材質としてグラファイトが用いられてきている。このグラファイトは、前記金属同様にアンモニアによって腐食されるが、断面積を大きくとれるため、寿命の点で有利である。それでも、ヒーター５の寿命は、通常の装置メンテナンスサイクルに比べて非常に短いので、ヒーター５を交換するために装置を頻繁に停止させなければならなかった。また、カーボン自体も、ガリウム窒素膜中ではＰ型不純物となるため、基板汚染の可能性も残っていた。
【０００８】
このようなことから、ヒーター５の延命を図るために発熱体であるグラファイトの上に種々のコーティングを行うことが試みられている。例えば、ガラス状炭素の含浸、ＣＶＤ法による炭素、ＳｉＣの被覆等が試みられたが、いずれも寿命を大幅に延ばすには至らなかった。
【０００９】
そこで本発明は、寿命を大幅に延ばすことができ、ヒーターに掛かるコストを削減できるとともに、ヒーター交換のための装置の停止期間を短くして実験や生産の効率を向上させることができる窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターは、発熱体としてグラファイトを用いた窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターにおいて、所定のヒーターパターンで形成されたヒーター本体部と、該ヒーター本体部からそれぞれ突出した２つの給電部を兼ねる支持部とからなるヒーターを、グラファイトの削りだしにより構成し、該ヒーターを構成するグラファイトの外面全体を窒化ホウ素で被覆するとともに、前記支持部を、前記ヒーターの裏面に設けられた反射板を貫通させて前記気相成長装置のサセプタの裏面に配置したことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、本発明の気相成長装置用ヒーターの一例を示す平面図であって、グラファイトを所定の形状に削り出したものである。このヒーター１１は、所定のヒーターパターンで形成された円形状のヒーター本体部１２と、このヒーター本体部１２の両側にそれぞれ突出した給電部を兼ねる支持部１３，１３とからなるもので、前記図３に示したヒーター５と同様に、碍子７を介して反射板６や適宜な支持部材に取付けられ、サセプタ２の裏面に設置される。
【００１２】
そして、本発明では、上記ヒーター１１を構成するグラファイトの外面略全体を、耐腐食性の高い窒化ホウ素（ＢＮ）で被覆（コーティング）する。この窒化ホウ素は、グラファイトと略同様の結晶構造を有するもので、グラファイトに近い熱膨張率で、絶縁体であり、高温での蒸気圧が低く、かつ、グラファイトに比べて耐腐食性が高いという特性を有している。
【００１３】
すなわち、グラファイトからなるヒーター１１を窒化ホウ素で被覆すると、ヒーター１１を１２００℃以上に加熱しても、熱膨張率が近いために剥離することがなく、グラファイトへの通電も問題なく行え、高温での蒸気圧が低いために揮発することがなく、しかも、アンモニア等の腐食性ガスに対する反応性が極めて低いため、腐食性ガスからグラファイトを保護することができるという作用を発揮する。したがって、グラファイトの腐食を防止することができ、ヒーター１１の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１４】
上記窒化ホウ素をグラファイトの表面に被覆する方法は、被膜の緻密さと混入する不純物の少なさを得られることから、ホウ素と窒素とを加熱下で結合させてグラファイトの表面に窒化ホウ素を堆積させるＣＶＤ法により行うことが望ましい。
【００１５】
なお、本発明のヒーターは、横型，竪型等、各種構成のＣＶＤ装置に適用することが可能であり、ヒーターパターンは、加熱する基板の大きさや加熱温度等に応じて任意に設定することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。
図１に示す形状に形成したグラファイト製ヒーターの表面に、約１００μｍの厚さで窒化ホウ素をコーティングした。コーティング処理は、ＣＶＤ法により、塩化ホウ素とアンモニアとを１８００℃で反応させることにより行った。また、同じ形状でコーティング無しのもの、周知の方法によりガラス状炭素を含浸被覆したもの、周知のＣＶＤ法により炭素を５０μｍの厚さで被覆したものの３種類のヒーターを用意し、窒化ホウ素をコーティングしたものと比較した。
【００１７】
そして、アンモニア５％を含む窒素を毎分１０ノルマルリットルで流した雰囲気中で、基板を１１００℃に加熱保持した場合のヒーターの抵抗値の経時変化を測定した。その結果を図２に示す。
【００１８】
図２から明らかなように、コーティングを施さないグラファイトのままのヒーターＡは、腐食による断面積の減少により、時間の経過とともに抵抗値が急上昇し、４０時間程度で限界値を超えて破断した。同様に、ガラス状炭素を含浸被覆したヒーターＢも、抵抗値が上昇して約３０時間で破断した。ＣＶＤ法により炭素を被覆したヒーターＣは、約３０時間経過後から抵抗値が上昇し、６０時間程度で破断した。これに対し、窒化ホウ素をコーティングしたヒーターＤは、抵抗値の上昇もなく２００時間以上の連続使用が可能であった。また、２００時間を経過した時点でヒーターを取出して観察したが、外観に腐食等の損傷は認められなかった。
【００１９】
このヒーターを、実際のＭＯＣＶＤ装置に装着し、窒化ガリウム系薄膜の成長実験を行ったところ、ヒーターの抵抗値は、長期間にわたり安定したままであり、ヒーター交換のために装置を停止させる必要はなかった。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターによれば、ヒーターの寿命を従来に比べて飛躍的に延ばすことができ、ヒーターに掛かるコストを削減できる。また、ヒーター交換のために装置を停止させる期間が非常に短くなり、実験や生産の効率を向上させることができる。さらに、炭素を不純物として嫌う成膜系では、汚染の原因となる炭素の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターの一例を示す平面図である。
【図２】時間経過と抵抗値の変化とを示す図である。
【図３】ＣＶＤ装置の一例を示す要部の概略断面図である。
【符号の説明】
１…フローチャンネル、２…サセプタ、３…基板、４…軸、５…ヒーター、６…反射板、７…碍子、８…温度検出器、１１…ヒーター、１２…ヒーター本体部、１３…支持部

Claims

発熱体としてグラファイトを用いた窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーターにおいて、所定のヒーターパターンで形成されたヒーター本体部と、該ヒーター本体部からそれぞれ突出した２つの給電部を兼ねる支持部とからなるヒーターを、グラファイトの削りだしにより構成し、該ヒーターを構成するグラファイトの外面全体を窒化ホウ素で被覆するとともに、前記支持部を、前記ヒーターの裏面に設けられた反射板を貫通させて前記気相成長装置のサセプタの裏面に配置したことを特徴とする窒化ガリウム系半導体薄膜製造用気相成長装置のヒーター。