JP4598506B2

JP4598506B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP4598506B2
Application number: JP2004367893A
Authority: JP
Inventors: 晃山口; 邦全植松; 仲男阿久津; 映徳生方; 功松本
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006173540A

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、サセプタ上に直接あるいはトレイを介して支持した基板を所定温度に加熱するとともに、基板面に対して平行な方向に原料ガスを流し、基板面に半導体薄膜を形成する横型の気相成長装置であって、特に、ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体薄膜を成長させる有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）に適した気相成長装置に関する。

発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイスや電子デバイスに用いられる化合物半導体等の薄膜を製造するための気相成長装置として、石英ガラス等で形成されたフローチャンネル内にサセプタにより支持した基板を配置し、ヒーターやランプ、高周波誘導加熱コイル等にて加熱されるサセプタを介して前記基板を所定温度に加熱するとともに、フローチャンネル内に基板面と平行な方向に気相原料ガスを流し、該原料ガスを高温に加熱したサセプタ上で熱分解反応させ、生成したガス分子を基板面に堆積させて薄膜を形成する横型の気相成長装置が知られている。

このような横型の気相成長装置において、基板到達前の原料ガス同士の反応を抑制するため、原料ガスを供給するノズルの全体を冷却する冷却部を設けたり（例えば、特許文献１参照。）、基板到達前の原料ガスの温度を最適化するため、基板上流側に加熱部を設けたり（例えば、特許文献２参照。）することが行われている。
特開平１０−１６７８３３号公報特開平１１−７４２０２号公報

しかしながら、冷却部を設けて原料ガスを冷却すると、低温の原料ガスによって基板やサセプタの上流側部分が冷却されてしまうため、基板やサセプタを回転させていない場合には基板の上流側部分、基板やサセプタを回転させている場合には基板の外周側部分の温度が低下し、膜質を劣化させたり、膜厚分布が発生したりして好ましくない。

また、加熱部を設けて原料ガスを加熱すると、例えば、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルアルミニウムとを使用した場合、原料ガスの温度が２００℃を超えるとパーティクルが発生し、発生したパーティクルが薄膜内に取り込まれて膜質を劣化させてしまうという問題がある。

そこで本発明は、原料ガスの分解や反応を防止するとともに、低温の原料ガスが基板やサセプタを冷却することも防止し、原料ガスを最適な温度条件で基板面に供給することにより、パーティクルによる膜質の劣化や、基板の温度低下による膜厚分布の発生を抑え、高品質な薄膜を形成することができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、フローチャンネル内に設けたサセプタに支持される基板を前記サセプタを介して加熱するとともに、基板面に対して平行に原料ガスを流して窒化物系化合物半導体薄膜の気相成長を行う気相成長装置において、特に、窒化物系化合物半導体薄膜の気相成長を行う気相成長装置において、前記サセプタより原料ガス流れ方向上流側のフローチャンネルに、該フローチャンネル内に導入される原料ガスの温度を、その熱分解温度以下に制御する第１温度制御領域を設けるとともに、該第１温度制御領域と前記サセプタとの間に、前記第１温度制御領域によって制御される温度より高く、かつ、前記基板の加熱温度よりも低い温度に制御する第２温度制御領域を設けている。

さらに、本発明の気相成長装置は、前記第１温度制御領域と前記第２温度制御領域との間に断熱部材を設けたこと、該前記断熱部材が原料ガス流れ方向に対して直交する方向の平面あるいはフローチャンネル中央部が原料ガス流れ方向上流側に向かって凸となる曲面を有する板状部材であること、前記断熱材は、炭化ケイ素、モリブデン、窒化ホウ素、アルミナセラミックのいずれかの材料で形成されていることを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、フローチャンネル上流側の第１温度制御領域で原料ガスが熱分解温度以下に制御されるので、原料ガスの熱分解を防止し、原料ガス同士の反応も防止できる。したがって、膜質を劣化させるパーティクルの発生もなくなる。また、第２温度制御領域で原料ガスを加熱するので、低温の原料ガスで基板が冷却されて膜厚分布が発生することもなくなる。これらにより、均質な薄膜を形成することができる。

第１温度制御領域及び前記第２温度制御領域に温度制御手段をそれぞれ設けることにより、各領域を原料ガスの種類に応じた最適な温度に制御することができる。また、両領域間に断熱部材を設けることにより、両領域の温度を確実に所定温度に制御することができ、第１温度制御領域と第２温度制御領域との間で原料ガスの温度を急激に変化させることができるので、より良好な状態で原料ガスを基板に供給することができる。

特に、熱分解し易い原料ガスを使用し、かつ、基板を高温に加熱する窒化物系化合物半導体薄膜では、原料ガスの熱分解を防止しながら、基板の冷却も防止できるので、高品質な薄膜を効率よく得ることができる。

図１は参考例を示す気相成長装置の断面正面図である。この気相成長装置は、サセプタ１１の上面にトレイ１２を介して複数の基板１３を支持するとともに、前記基板１３の表面に対して平行に原料ガスを流して基板面に半導体薄膜を成長させる、いわゆる横型気相成長装置であって、原料ガスは、原料ガス供給部１４からフローチャンネル１５を介して基板部分に供給され、余剰の原料ガス等は、排気通路１６から排出される。

サセプタ１１は、サセプタ１１を回転させるサセプタ支持軸１７の上端に支持された円盤状のものであって、その裏面部分には、サセプタ１１を介して基板１３を所定温度に加熱するためのヒーター１８が設けられている。また、サセプタ１１やヒーター１８の周囲は、ヒーター１８の熱をサセプタ１１に効率よく伝えるためのリフレクター１９により覆われている。なお、このリフレクター１９は設置されない場合もあり、設置されている場合でもリフレクター１９の温度はサセプタ１１にかなり近い温度となっているので、以後の説明では、サセプタ１１にリフレクター１９を含むものとする。

前記フローチャンネル１５の上流側には、該フローチャンネル１５内を流れる原料ガスの温度を、原料ガスの熱分解温度以下に制御する第１温度制御領域２１と、該第１温度制御領域２１によって制御される温度より高く、かつ、前記基板１３（サセプタ１１）の加熱温度よりも低い温度に制御する第２温度制御領域２２とが設けられている。第１温度制御領域２１及び第２温度制御領域２２のフローチャンネル外部側には、ヒーターや流体流路を備えた第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４がそれぞれ設けられており、第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４の温度は、パソコン等を利用した第１温度制御手段２５及び第２温度制御手段２６によってあらかじめ設定された温度に調節できるようにしている。

原料ガス供給部１４からフローチャンネル１５内に流入した原料ガス（キャリヤガス、ドーピングガス等も含む）は、第１温度制御領域２１を通過する際に、第１温度調節手段２３によって加熱又は冷却されることによって原料ガスの熱分解温度以下の温度に制御される。例えば、トリメチルアルミニウムの場合は２００℃以下、トリメチルインジウムの場合は１５０℃以下、トリメチルガリウムの場合は３００℃以下の温度にそれぞれ制御される。

第１温度制御領域２１を通過して第２温度制御領域２２に流入した原料ガスは、第２温度調節手段２４によって加熱され、前記第１温度制御領域２１の温度より高く、かつ、基板１３の加熱温度に近い温度乃至それよりも低い温度に制御される。すなわち、第２温度制御領域２２に流入した原料ガスは、第１温度制御領域２１の比較的低い温度から、高温に加熱された基板１３の温度近くにまで短時間で急激に温度上昇する。また、第１温度制御領域２１と第２温度制御領域２２とを、原料ガス流れ方向に対して直交する方向に直線状に区画しておくことにより、ガス流れの幅方向に温度分布が発生することを防止できる。

このとき、第２温度制御領域２２で原料ガスの温度を基板１３の加熱温度よりも高くすると、基板面に到達する前に原料ガスが分解、反応してパーティクルの発生原因等となってしまう。また、第２温度調節手段２４の設定温度は、通常は最高設定温度が基板１３の加熱温度までとするが、第２温度制御領域２２の最下流部で所定の温度に原料ガスを迅速に加熱できるようにする場合には、第２温度調節手段２４の設定温度が基板１３の加熱温度より高くなることもある。

このように、フローチャンネル１５の原料ガス供給部１４側に、原料ガスを熱分解温度以下の温度に保持する第１温度制御領域２１を設けることにより、原料ガスの熱分解を防止して原料ガス同士の反応を防止でき、パーティクルの発生もなくなる。さらに、フローチャンネル１５のサセプタ１１側に原料ガスを基板１３の加熱温度近くに昇温する第２温度制御領域２２を設けることにより、低温の原料ガスによってサセプタ１１や基板１３が冷却されることを防止できる。これにより、基板上での原料ガスの分解や反応を円滑に行うことができるで、薄膜の成長効率も向上させることができる。

なお、サセプタ１１やフローチャンネル１５の形状及び構造、トレイ１２の有無等、気相成長装置本体の構成は任意であり、前記第１温度制御領域２１及び第２温度制御領域２２は、各種構成の気相成長装置に適用することができる。また、第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４における冷却手段や加熱手段は任意であり、温度調節範囲に応じてヒーター、加熱流体、冷却流体等の適宜手段を単独であるいは組み合わせて採用することができる。さらに、第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４のガス流れ方向の寸法は、ガスの流速等の各種条件に応じて設定することができる。

図２及び図３は本発明の一形態例を示すもので、図２は気相成長装置の断面正面図、図３は一部断面平面図である。本形態例は、第１温度調節手段２３と第２温度調節手段２４との間に断熱部材３１を設けた例を示している。なお、以下の説明において、前記参考例で示した気相成長装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

前記断熱部材３１は、原料ガス流れ方向（矢印Ａ）に対して直交する方向の平面を有する板状部材からなるものであって、輻射率が小さく、反射率が高く、さらに、原料ガス等に対する耐食性を有し、高温での熱変形が少ない材料、例えば、炭化ケイ素、モリブデン、窒化ホウ素、アルミナセラミック等で形成されている。なお、断熱部材３１となる板状部材は、平面視で原料ガス流れ方向に直交していればよく、フローチャンネル１５の外面に対して垂直である必要はなく、傾斜した状態となっていてもよい。

このような断熱部材３１を設けることにより、第１温度調節手段２３と第２温度調節手段２４との間、第１温度制御領域２１と第２温度制御領域２２との間の伝熱を抑制することができ、第１温度調節手段２３により温度制御される第１温度制御領域２１の下流側が所定温度以上に加熱され、原料ガスが熱分解してしまうことを防止できるとともに、第２温度調節手段２４により温度制御される第２温度制御領域２２の上流側が冷却されて温度が低下することも防止できる。これにより、第１温度制御領域２１を確実に原料ガスの分解温度以下に保持できるとともに、第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４の熱損失を抑えることができるので、第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４における加熱、冷却効率を向上させることができる。

このように、フローチャンネル１５の原料ガス供給部１４とサセプタ１１との間に、低温に制御される第１温度制御領域２１と高温に制御される第２温度制御領域２２とを設けるとともに、第１温度調節手段２３と第２温度調節手段２４との間に断熱部材３１を配置することにより、熱分解し易い原料ガスを使用し、かつ、基板を高温に加熱する窒化物系化合物半導体薄膜の製造においても、第１温度制御領域２１での原料ガスの熱分解をより確実に防止しながら第２温度調節手段２４で効果的に原料ガスを加熱できるので、高品質な薄膜をより効率よく得ることができる。

また、上記参考例及び形態例において、フローチャンネル１５の形状やガス流れの条件によっては、前記第１温度調節手段２３及び第２温度調節手段２４を、断熱部材３１を含めてフローチャンネル１５の周囲を囲むように配置することができる。

図４は、厚さ１ｍｍのモリブデン製板状部材からなる断熱部材３１の有無による第１温度制御領域２１の温度状態の一例を示す図である。本実験は、フローチャンネル１５内に流すガスの種類や流速をはじめとする各種条件は同一とし、断熱部材３１の有無のみで比較している。図４からわかるように、断熱部材３１を設置することにより、第２温度調節手段２４からの伝熱による温度上昇を５０℃低く抑えることができる。

図５は、温度制御を行った際のフローチャンネル１５の表面温度の変化例を示す図である。ＩｎＧａＮ成長時には、第１温度制御領域２１では温度を１５０℃以下に保持し、第２温度制御領域２２では基板１３（サセプタ１１）の加熱温度である７００℃近くまで急激に加熱するようにしている。また、ＧａＮ成長時には、第１温度制御領域２１では温度を２００℃以下に保持し、第２温度制御領域２２では基板１３（サセプタ１１）の加熱温度である１１００℃近くまで急激に加熱するようにしている。このような温度制御を行うことにより、良好な膜質を有するＩｎＧａＮ基板やＧａＮ基板を効率よく製造することができる。

なお、フローチャンネル１５の形状は、成膜条件に応じて最適な形状を選択することができ、例えば、図６の概略断面図に示すように、原料ガス等が基板１３に向かって斜めに流れるものであってもよい。さらに、基板１３を下流側が上昇した傾斜状態で設置するものであってもよい。また、断熱部材３１は、平面的な板状でなくてもよく、例えば図７の概略平面図に示すように、フローチャンネル中央部が原料ガス流れ方向上流側に向かって凸となる曲面を有する板状部材３１ａ，３１ｂであってもよく、フローチャンネル１５の全幅にわたって設けられていなくてもある程度の効果が得られる。

参考例を示す気相成長装置の断面正面図である。本発明の一形態例を示す気相成長装置の断面正面図である。同じく一部断面平面図図である。断熱部材の有無による第１温度制御領域の温度状態の一例を示す図である。温度制御を行った際のフローチャンネルの表面温度の変化例を示す図である。フローチャンネルの他の形状例を示す概略断面図である。断熱部材の他の形状例を示す概略平面図である。

符号の説明

１１…サセプタ、１２…トレイ、１３…基板、１４…原料ガス供給部、１５…フローチャンネル、１６…排気通路、１７…サセプタ支持軸、１８…ヒーター、１９…リフレクター、２１…第１温度制御領域、２２…第２温度制御領域、２３…第１温度調節手段、２４…第２温度調節手段、２５…第１温度制御手段、２６…第２温度制御手段、３１…断熱部材

Claims

フローチャンネル内に設けたサセプタに支持される基板を前記サセプタを介して加熱するとともに、基板面に対して平行に原料ガスを流して窒化物系化合物半導体薄膜の気相成長を行う気相成長装置において、前記サセプタより原料ガス流れ方向上流側のフローチャンネルに、該フローチャンネル内に導入される原料ガスの温度を、その熱分解温度以下に制御する第１温度制御領域を設けるとともに、該第１温度制御領域と前記サセプタとの間に、前記第１温度制御領域によって制御される温度より高く、かつ、前記基板の加熱温度よりも低い温度に制御する第２温度制御領域を設け、前記第１温度制御領域と前記第２温度制御領域との間に断熱部材を設けたことを特徴とする気相成長装置。
前記断熱部材は、原料ガス流れ方向に対して直交する方向の平面、あるいは、フローチャンネル中央部が原料ガス流れ方向上流側に向かって凸となる曲面を有する板状部材であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記断熱部材は、炭化ケイ素、モリブデン、窒化ホウ素、アルミナセラミックのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。