JP5011999B2

JP5011999B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP5011999B2
Application number: JP2006338405A
Authority: JP
Inventors: 英良高須賀
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008153357A

Description

本発明は気相成長装置に関し、より特定的には、ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層の成膜に用いられる気相成長装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、またはインジウムリン（ＩｎＰ）などの化合物半導体は、発光素子や高速電子デバイスなどに好適である。これらの化合物半導体の結晶は、通常、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いて基板上に成長される。特にＭＯＣＶＤ法によれば、量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）などの微細構造を持った多層膜構造を制御性良く形成することができる。

成長される膜の均一性を向上するために、ＭＯＣＶＤ法を行なうための気相成長装置としてさまざまな構造が提案されている。たとえば特開平５−１９０４６５号公報（特許文献１）には、基板を載置するための回転可能なサセプタがリアクタの中に設けられ、リアクタ内におけるガスの供給口とサセプタとの間の空間にフローチャネル（供給管）が設けられた構成が開示されている。特許文献１においては、フローチャネルを設けることでガスの流れを層流状態に近づけており、サセプタを回転させることで基板上に均一な膜を形成している。また、たとえば特開２０００−１０３６９６号公報（特許文献２）、特開平５−４７６６９号公報（特許文献３）、特開２００６−２４８２８号公報（特許文献４）、および特開２００６−９３５５７号公報（特許文献５）には、特許文献１と類似した気相成長装置が開示されている。
特開平５−１９０４６５号公報特開２０００−１０３６９６号公報特開平５−４７６６９号公報特開２００６−２４８２８号公報特開２００６−９３５５７号公報

特許文献１〜５に記載の気相成長装置においては、固定されたフローチャネル内部に回転するサセプタを配置しているので、フローチャネルとサセプタとの間には必然的に隙間が存在している。このため、成膜時に原料ガスが流されてフローチャネル内部の圧力が高くなると、フローチャネルの隙間を通じて原料ガスがフローチャネル外部へ漏れるという問題があった。原料ガスがフローチャネル外部へ漏れると、フローチャネル内部の原料ガスの流れが乱れ、成膜される膜の均一性が低下する。また、フローチャネルの隙間付近に余分な膜の堆積が起こる。

ここで、フローチャネルの隙間からのガス漏れを抑制するために、特許文献４においては、フローチャネル（フローライナー）の外壁面からサセプタの回転軸に平行な方向に延在する板がサセプタの外周部に設けられている。また、特許文献５においては、フローチャネルとサセプタ（基板ホルダ）との間に流路が形成されており、この流路はフローチャネル内部からサセプタの中心から周方向に向かって延在し、フローチャネル外部へ達している。

しかしながら、特許文献４および５の装置によってもフローチャネルの隙間からのガス漏れを十分に抑制することはできなかった。

したがって、本発明の目的は、供給管からのガスの漏れを抑制することのできる気相成長装置を提供することである。

本発明の気相成長装置は、基板の主面上にガスを供給するための供給管と、供給管内部において基板を保持し、かつ回転可能な保持台と、供給管と保持台との上流側の隙間から下流側の方向に延びる流通路とを備えている。流通路の一部は前記供給管から延在した延在部と保持台の側面および下面とによって構成されており、かつ流通路は、前記供給管の上流側の前記側面に沿って下方に延在し、その後、前記下面に沿って下流側の方向に延在して、供給管外部に通じている。

本発明の気相成長装置によれば、供給管内部と供給管外部との間の距離が流通路によって長くされているので、供給管内部と供給管外部との間に圧力差が生じた場合に、供給管内部と供給管外部との間の圧力勾配を緩やかにすることができる。また、流通路が下流側の方向へ延在しており、かつ流通路の一部が保持台により構成されているので、保持台の回転の遠心力を受けて流通路内のガスを上流側の方向へ押し戻すことができる。以上により、供給管からのガス漏れを抑制することができる。

本発明の気相成長装置において好ましくは、流通路が蛇行している。これにより、供給管内部と供給管外部との間の距離が一層長くなり、供給管内部からのガス漏れを一層抑制することができる。

本発明の気相成長装置は、基板の主面上にガスを供給するための供給管と、供給管内部において基板を保持し、かつ回転可能な保持台と、供給管と保持台との上流側の隙間から下流側の方向に延びる流通路とを備えている。流通路の一部は保持台によって構成されており、かつ流通路は供給管外部に通じている。流通路は蛇行し、内壁に突起物を有している。これにより、突起部が流通路内部のガスの流れの障害となり、かつ突起部により供給管内部と供給管外部との間の距離が一層長くなる。その結果、供給管内部からのガス漏れを一層抑制することができる。

本発明の気相成長装置において好ましくは、保持台を加熱するための赤外線ヒータが備えられている。流通路の一部は赤外線透過材料よりなっており、かつ流通路は赤外線ヒータよりも保持台の中心側にまで延びている。これにより、流通路がサセプタの加熱を妨げ難くなる。

本発明の気相成長装置によれば、供給管内部からのガス漏れを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における気相成長装置の構成を示す断面図であり、図２は図１の気相成長装置におけるサセプタ付近の平面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態における気相成長装置１は、供給管としてのフローチャネル４と、フローチャネル５と、反応容器９と、保持台としてのサセプタ１７と、ヒータ１９と、流通路７とを備えている。反応容器９内にはフローチャネル４および５と、サセプタ１７と、ヒータ１９と、流通路７とが収納されている。フローチャネル４および５の各々は、紙面に垂直な面で切った場合に矩形の断面形状を有している。

反応容器９の図１中左端下部にはフローチャネル４が固定されている。フローチャネル４の上流側（図１中左側）の供給口には仕切板１４ａおよび１４ｂが設けられており、仕切板１４ａおよび１４ｂによって上下方向に３つの供給口３ａ〜３ｃに仕切られている。

供給口３ａ〜３ｃよりも下流側（図１中右側）におけるフローチャネル４の下部には切欠部１５が設けられており、切欠部１５内には円の平面形状を有するサセプタ１７が配置されている。サセプタ１７上には基板２１が保持されており、基板２１の上面はフローチャネル４の内部空間１１に露出している。サセプタ１７は支持棒１８によって支持されている。またサセプタ１７は、図示しない回転機構によって支持棒１８を中心として、たとえば矢印Ｒで示す方向に回転可能とされている。支持棒１８の周りには、サセプタ１７を加熱するためのドーナツ形状のヒータ１９が設けられている。

サセプタ１７の中心Ｃ（図２）よりも上流側における切欠部１５には、フローチャネル４から延在した延在部６が設けられている。図２中点線部分は、サセプタ１７の下における延在部６の形状を示している。この延在部６と、サセプタ１７の側面および下面とによって流通路７が構成されている。流通路７はフローチャネル４の上流側の隙間７ａから図１中下方に延在しており、その後向きを変えて下流側の方向に延在している。具体的には、流通路７はサセプタ１７の中心Ｃの方向に延在している。流通路７の端部７ｂはフローチャネル４外部の反応容器９の内部空間８に開口しており、これにより、流通路７はフローチャネル４外部に通じている。

特に図３を参照して、流通路７は、ヒータ１９よりもサセプタ１７の中心側の領域Ｈにまで延びていてもよい。このような場合、流通路７がサセプタ１７の加熱の妨げとならないように、ヒータ１９を赤外線ヒータとし、かつ延在部６をガラスのような赤外線透過材料で形成することもできる。これにより、ヒータ１９の赤外線が延在部６を通過してサセプタ１７に到達するので、流通路７がサセプタ１７の加熱の妨げとなることを防ぐことができる。

なお、流通路７の間隔Ｇは小さいほど好ましく、長さＬは大きいほど好ましい。管内流路の幅が５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下で、厚みが５ｍｍ以上１５ｍｍ以下のフローチャネルにおいては、管内流速が０．５ｍ／ｓから５ｍ／ｓの範囲で、Ｇ／Ｌ＜０．０４の関係を満たす場合に、ガスの漏れ量は、このような流通路を形成しない場合の３分の１以下にまで軽減され、特に好ましい。また延在部６はフローチャネル４と一体化して形成されていてもよいし、別体で形成されていてもよい。

図１〜図３を参照して、気相成長装置１においては、以下のようにして成膜が行なわれる。サセプタ１７の載置面に基板２１を載置し、ヒータ１９によってたとえば１１００℃前後にサセプタ１７を加熱する。次に、フローチャネル４を通じてガスＧ１〜Ｇ３を基板２１上に供給し、成膜を行なう。具体的には、加熱したサセプタ１７を回転しながら、供給口３ａ〜３ｃの各々からガスＧ１〜Ｇ３の各々を導入する。ガスＧ１〜Ｇ３の各々は図中右方向にフローチャネル４および５内を流れていく。

たとえばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層を成膜する場合、ガスＧ１としてはＨ₂（水素）ガスやＮ₂（窒素）ガスなどの、原料ガスの反応を抑制するパージガスが用いられる。またガスＧ２としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの、ＩＩＩ族元素を含む有機金属ガス（原料ガス）が用いられる。さらにガスＧ３としてはＡｓ、Ｐ、またはＮなどのＶ族元素を含むガス（原料ガス）が用いられる。なおガスＧ２およびＧ３は、ガスの流れを調整するためにＨ₂ガス、Ｎ₂ガス、またはＡｒガスなどのキャリアガスで希釈されてもよい。具体的なガスＧ２およびＧ３の種類の一例を挙げると、たとえばガスＧ２としてＨ₂で希釈されたトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）が用いられ、ガスＧ３としてＨ₂で希釈されたアンモニア（ＮＨ₃）が用いられる。

ガスＧ１〜Ｇ３の各々はフローチャネル４の内部空間１１において混合され、ガスＧ２とガスＧ３とが反応して、基板２１の上面にたとえばＧａＮなどの化合物半導体の単結晶が成膜される。反応後のガスはフローチャネル５によって整流され、反応容器９の外部へ排出される。

ここで、フローチャネル４を矩形の断面形状とすることにより、基板２１上にガスの流れを集中させることができる。また、原料ガスであるガスＧ２とガスＧ３とを別々の供給口３ｂおよび３ｃから導入することにより、ガスＧ２とガスＧ３とを基板２１の付近まで分離して供給することができ、特にガスＧ２およびＧ３の反応性が高い場合に、ガスＧ２およびＧ３が基板２１に到達する前に反応することを抑制することができる。さらに、基板２１と対向するフローチャネル４の内面付近にパージガスであるガスＧ１を流すことにより、フローチャネル４の内面付近に反応物が堆積するのを抑制することができる。

なお、成膜条件の一例を挙げると、フローチャネル４内のガスＧ１〜Ｇ３の平均流速は０．５ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓであり、サセプタ１７の温度は６００℃〜１７００℃である。また、ガスＧ１としてのＨ₂ガスおよびＮ₂ガスのモル濃度は０〜０．７ｍｏｌ／Ｌであり、ガスＧ２としての有機金属ガスのモル濃度は０〜１×１０^-6ｍｏｌ／Ｌであり、ガスＧ３としてのＮＨ₃ガスのモル濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ〜０.ｍｏｌ／Ｌである。

本実施の形態における気相成長装置１は、基板２１の上面にガスＧ１〜Ｇ３を供給するためのフローチャネル４と、フローチャネル４の内部空間１１において基板２１を保持し、かつ回転可能なサセプタ１７と、フローチャネル４とサセプタ１７との上流側の隙間７ａから下流側の方向に延びる流通路７とを備えている。流通路７の一部はサセプタ１７によって構成されており、かつ流通路７は内部空間８に通じている。

本実施の形態の気相成長装置１によれば、フローチャネル４からのガス漏れを抑制することができる。すなわち、フローチャネル４および５にガスＧ１〜Ｇ３を流すと、フローチャネル４の内部空間１１の圧力がフローチャネル４および５外部の圧力、言い換えれば反応容器９の内部空間８の圧力よりも高くなる。その結果、フローチャネル４の切欠部１５とサセプタ１７との隙間などを通じてガスＧ１〜Ｇ３が内部空間８へ漏れる。

そこで、本実施の形態の気相成長装置１においては、内部空間１１と内部空間８との間の距離が流通路７の長さＬの分だけ長くされているので、内部空間１１の圧力が高くなった場合に、図４に示すように内部空間１１と内部空間８との間の圧力勾配Ｓを緩やかにすることができる。また、流通路７が下流側の方向へ延在しており、かつ流通路７の一部がサセプタ１７により構成されているので、図２に示すように、サセプタ１７の矢印Ｒの方向の回転によって遠心力Ｆが生じ、この遠心力Ｆを受けて流通路７内のガスを内部空間１１の方向へ押し戻すことができる。その結果、フローチャネル４からのガス漏れを抑制することができる。

また、ヒータ１９が赤外線ヒータであり、かつ延在部６は赤外線透過材料よりなっており、かつ流通路７はヒータ１９よりもサセプタの中心側の領域Ｒにまで延びている。これにより、流通路７がサセプタ１７の加熱を妨げ難くなる。

なお、本実施の形態においては、流通路７の隙間７ａがフローチャネル４の切欠部１５の円周の長さの半分に相当する幅を有する場合について示した。しかし、本発明の流通路は、少なくとも、供給管と保持台との最上流側の隙間から下流側の方向に延びていればよい。したがって、たとえば図５に示すように、フローチャネル４とサセプタ１７との最上流側の隙間Ａを含むような位置において、かつ下流側（図５中右側）の方向に延びるように、流通路７が狭い幅で形成されていてもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における気相成長装置の構成を示す断面図である。図６を参照して、本実施の形態における気相成長装置１は、流通路７の構造において実施の形態１の気相成長装置と異なっている。本実施の形態における流通路７は、内壁に突起部１３ａ〜１３ｃを有している。突起部１３ａおよび１３ｃは延在部６の内壁に形成されており、突起部１３ｂは突起部１３ａおよび１３ｃの間におけるサセプタ１７の下面に形成されている。これにより、蛇行した流通路７が形成されている。

なお、これ以外の気相成長装置１の構成については、実施の形態１における気相成長装置の構成と同一であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

本実施の形態における気相成長装置１によれば、流通路７が蛇行していることにより、内部空間１１と内部空間８との間の距離が一層長くなり、内部空間１１からのガス漏れを一層抑制することができる。

また、流通路７が内壁に突起部１３ａ〜１３ｃを有していることにより、突起部１３ａ〜１３ｃが流通路７内部のガスの流れの障害となり、かつ突起部１３ａ〜１３ｃにより内部空間１１と内部空間８との間の距離が一層長くなる。その結果、内部空間１１からのガス漏れを一層抑制することができる。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の気相成長装置は、ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層の成膜に好適である。

本発明の実施の形態１における気相成長装置の構成を示す断面図である。図１の気相成長装置におけるサセプタ付近の平面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。流通路内の圧力勾配を模式的に示す図である。本発明の実施の形態１における気相成長装置の変形例を示す平面図である。本発明の実施の形態２における気相成長装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１気相成長装置、３ａ〜３ｃ供給口、４，５フローチャネル、６延在部、７流通路、７ａ隙間、７ｂ端部、８，１１内部空間、９反応容器、１３ａ〜１３ｃ突起部、１４ａ，１４ｂ仕切板、１５切欠部、１７サセプタ、１８支持棒、１９ヒータ、２１基板。

Claims

基板の主面上にガスを供給するための供給管と、
前記供給管内部において前記基板を保持し、かつ回転可能な保持台と、
前記供給管と前記保持台との最上流側の隙間から下流側の方向に延びる流通路とを備え、
前記流通路の一部は前記供給管から延在した延在部と前記保持台の側面および下面とによって構成されており、かつ前記流通路は、前記供給管の上流側の前記側面に沿って下方に延在し、その後、前記下面に沿って下流側の方向に延在して、前記供給管外部に通じていることを特徴とする、気相成長装置。
前記流通路が蛇行していることを特徴とする、請求項１に記載の気相成長装置。
基板の主面上にガスを供給するための供給管と、
前記供給管内部において前記基板を保持し、かつ回転可能な保持台と、
前記供給管と前記保持台との最上流側の隙間から下流側の方向に延びる流通路とを備え、
前記流通路の一部は前記保持台によって構成されており、かつ前記流通路は前記供給管外部に通じていることを特徴とし、
前記流通路は蛇行し、内壁に突起物を有する、気相成長装置。
前記保持台を加熱するための赤外線ヒータを備え、
前記流通路の一部は赤外線透過材料よりなり、かつ前記流通路は前記赤外線ヒータよりも前記保持台の中心側にまで延びることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の気相成長装置。