JP5301965B2 - Vapor growth equipment - Google Patents
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Description
この発明は、気相成長装置に関し、特に基板を保持する基板ホルダーを備えた気相成長装置に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and more particularly, to a vapor phase growth apparatus provided with a substrate holder for holding a substrate.
GaN、AlN、InNおよびこれらの混晶に代表される窒化物系III−V族化合物半導体結晶はバンドギャップが直接遷移型であり、半導体発光素子への利用が期待されている。特に、InGaNの混晶は、紫外光から赤色光にいたる波長の光を発光させることが可能である。このため、すでに、InGaNの混晶を用いて紫外光から緑色光にいたる波長の発光ダイオード素子並びに青紫レーザダイオード素子が実用化されている。これらの半導体発光素子は、高密度光ディスクやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。 Nitride-based III-V group compound semiconductor crystals represented by GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof have a direct band gap and are expected to be used for semiconductor light emitting devices. In particular, a mixed crystal of InGaN can emit light having a wavelength ranging from ultraviolet light to red light. For this reason, light-emitting diode elements and blue-violet laser diode elements having wavelengths from ultraviolet light to green light using AlGaN mixed crystals have already been put into practical use. These semiconductor light-emitting elements are widely considered to be applied to high-density optical discs, full-color displays, and environmental / medical fields.
また、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子などの半導体発光素子の製造方法として、有機金属化学気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:以下、MOCVD法と呼称する)が一般的に用いられるこのMOCVD法を用いて化合物半導体の薄膜成長を行なう気相成長装置はMOCVD装置と呼ばれる。 Further, as a method for manufacturing a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode device or a laser diode device, this MOCVD method in which a metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as MOCVD method) is generally used. A vapor phase growth apparatus that performs thin film growth of a compound semiconductor by using a metal is called an MOCVD apparatus.
図21は、従来の典型的なMOCVD装置の反応室の構成を説明する断面図である。従来のMOCVD装置501では、反応室502内に原料ガスを基板上に効率よく導くために管状のフローチャネル503が設けられている。このフローチャネル503は、その両端が反応室502外部に向けて開口し、その開口部はフローチャネル503の両端でガス供給口517とガス排出口518を形成している。また、フローチャネル503の長手方向の略中央部には基板ホルダー508上に載置された半導体基板507表面がフローチャンネル503内部に臨む開口部が形成されている。そして、ガス供給口517からフローチャネル503内部に導入された成膜原料成分を含有する原料ガスは半導体基板507表面と接触して反応・成膜し、半導体基板507表面に化合物半導体薄膜が形成される。また、半導体基板507表面で反応に寄与しなかった原料ガスはガス排出口518から反応室502外部に排出される。
FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a reaction chamber of a conventional typical MOCVD apparatus. In the
このとき、半導体基板507を保持する基板ホルダー508の下部には、半導体基板507を加熱するための加熱ヒータ509が設けられ、結晶成長に最適な反応状態になるよう半導体基板507を加熱することができる。また、加熱ヒータ509と基板ホルダー508との間には、通常、均熱板515が設けられる。この均熱板515は加熱ヒータ509からの熱を基板ホルダー508に均一に熱伝導させる。なお、加熱ヒータ509からの熱を直接半導体基板507全域にわたり均一に熱伝導することができれば、均熱板515を省略することができる。
At this time, a
しかしながら、上記MOCVD装置501では半導体基板507上に成長させた化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が半導体基板507全域にわたり不均一になるという不都合があり、製造歩留まりが低下するという問題があった。
However, the
このような問題に対して、本発明者は成膜原料成分を含有する原料ガスが半導体基板507表面で接触して反応・成膜する際、半導体基板507の表面温度が同一基板面内で不均一になっていることに起因して、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が半導体基板507面内において不均一になり、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長にバラツキが発生することを見出した。
In response to such a problem, the present inventor, when a source gas containing a film forming raw material component contacts and reacts on the surface of the
また、半導体基板507の表面温度が面内で不均一になる原因として、半導体基板507の反り形状が半導体基板507毎に異なり、半導体基板507と基板ホルダー508との接触度合いが異なることが挙げられる。
Further, the reason why the surface temperature of the
例えば、本発明者が特許文献1で開示したGaN基板では、成長させた化合物半導体薄膜の表面平坦性が悪化する問題を解決するために、ストライプ状の溝からなる掘り込み領域を半導体基板507上に形成し、半導体基板507表面に化合物半導体薄膜を成長させて窒化物系化合物半導体素子を作成する。しかし、ストライプ状の溝からなる掘り込み領域を形成した半導体基板507は化合物半導体薄膜を成長させる前後で異なる反りの形状をとる。
For example, in the GaN substrate disclosed in
図22は本発明者が特許文献1で開示したGaN基板において、化合物半導体薄膜を形成する前の半導体基板507の反り量を示すヒストグラムである。ここで、図22において示す中心部が負の反り量を示すGaN基板とは、化合物半導体を成膜する方向と逆方向に反っている凹状の基板であり、このGaN基板の成膜面を下にして水平板上に基板を静置したとき、GaN基板の端部が接触し且つ基板中心部が浮き上がる反り形状をいう。このとき水平板と浮き上がった基板中心部との距離を反り量としている。図22に示すように、化合物半導体薄膜が形成される前の半導体基板507にはその中心部近傍に反りがあり、その反り方向及び反り量は基板ごとのバラツキが大きい。このため、このような形状の半導体基板507の成膜面を上にして基板ホルダー508上に載置した場合、加熱ヒータ509から基板ホルダー508へ熱伝導した熱が半導体基板507の基板面内へ不均一に熱伝導し、半導体基板507の表面温度が基板面内で不均一となっていた。
FIG. 22 is a histogram showing the amount of warpage of the
また、図23は従来の半導体基板の上面図であり、図24は図23に示した半導体基板のX−X’線およびY−Y’線における薄膜形成が行われる前の反り量を示す図であり、図25は図23に示した半導体基板507のX−X’線およびY−Y’線における薄膜形成が行われた後の反り量を示す図である。ここで、半導体基板507は特許文献1で開示された作製方法と同様の方法により、掘り込み領域がY方向に350μmの間隔を隔てて周期的に複数形成され、掘り込み領域のY方向のオフ角θaが−0.28°、X方向のオフ角θbが−0.03°、掘り込み領域の開口幅が3μm、深さが3μmに加工された半導体基板である。また、X方向は〈11−20〉で半導体基板507上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板507上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。また「掘り込み領域」とは、特許文献1で開示されている半導体基板507表面でストライプ状に加工された凹部を意味する。図24および図25に示すように、薄膜形成が行われる前後で掘り込み領域が形成された半導体基板507はX方向において凸状、Y方向において凹状に変形し、X、Y方向における基板の反り量には大きな差が見られる。特に、半導体基板507のX方向における半導体基板507の反りは、薄膜形成が行われる前後で逆転している。
FIG. 23 is a top view of a conventional semiconductor substrate, and FIG. 24 is a diagram showing the amount of warpage before thin film formation is performed on the XX ′ line and the YY ′ line of the semiconductor substrate shown in FIG. FIG. 25 is a diagram showing a warpage amount after thin film formation is performed on the XX ′ line and the YY ′ line of the
また、図26は従来の気相成長装置を構成する基板ホルダーの上面図であり、図27は図26に示したX−X’線に沿った断面図であり、図28は図26に示したY−Y’線に沿った断面図である。図26〜図28に示すように、図25に示したX方向において凸状、Y方向において凹状に変形した半導体基板507を基板ホルダー508上に載置したとき、半導体基板507はX方向において凸状、Y方向において凹状に変形しているため、X方向において半導体基板507の端部が基板ホルダー508と接触し、半導体基板507底面と基板ホルダー508の基板載置面508aとの間に空隙が生じる。このため、基板ホルダー508と半導体基板507との接触部分を介した熱伝導及び基板ホルダー508の基板載置面508aと半導体基板507底面との空隙の大きさに応じた輻射熱により半導体基板507が基板面内において不均一に加熱され、半導体基板507表面の温度が面内で不均一となっていた。
FIG. 26 is a top view of a substrate holder constituting a conventional vapor phase growth apparatus, FIG. 27 is a cross-sectional view taken along line XX ′ shown in FIG. 26, and FIG. 28 is shown in FIG. It is sectional drawing along line YY '. As shown in FIGS. 26 to 28, when the
また、図23〜図25に示したX方向において凸状、Y方向において凹状に変形した複数の半導体基板507をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作製し、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板507における発振波長の面内分布を図29、図30のグラフにまとめた。図29は図23に示したX−X’線に沿った発振波長の面内分布であり、図30は図23に示したY−Y’線に沿った発振波長の面内分布である。図29、図30のグラフが示すように、窒化物系半導体レーザ素子の波長面内分布に標準偏差σに最大σ=1.9nmのバラツキがあり、基板毎の波長は標準偏差σに最大σ=2.5nmのバラツキがあった。また、図23〜図25と図29、図30とを比較した場合、基板ホルダー508の基板載置面508aと半導体基板507との空隙が大きく、基板載置面508aと半導体基板507との距離が離れている部分から得られる窒化物半導体レーザ素子はその距離に応じて発振波長が長波長化していることがわかる。このことから、半導体基板507と基板ホルダー508の基板載置面との距離が離れた部位では基板ホルダー508からの輻射熱が減少し、半導体基板507の表面温度が低下するため、この部分を分割して得られる窒化物半導体レーザ素子の発振波長が長波長化し、発振波長の半導体基板面内分布全域の不均一化が起きていると考えられる。
Further, a plurality of nitride semiconductor laser elements are produced by dividing the plurality of
また、半導体基板507の表面温度が面内で不均一になる他の原因として、基板ホルダー508や加熱ヒータ514の製作精度の問題により、加熱ヒータ514と基板ホルダー508との接触面又は均熱板515と基板ホルダー508との接触面の平面度や鏡面度により接触度合いが異なることが挙げられる。基板ホルダー508と加熱ヒータ514との接触面または基板ホルダー508と均熱板515との接触面の加工精度が悪く、平面度にバラツキが発生している場合、加熱ヒータ514毎、均熱板515毎で基板ホルダー508との間の密着度にバラツキが発生する。その結果、基板ホルダー508への熱伝導にバラツキが発生し、基板ホルダー508の面内における温度分布が不均一になり、半導体基板507への熱輻射量が変化することにより半導体基板507の面内温度が不均一になっていた。
Further, as another cause of the non-uniform surface temperature of the
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑え、一枚の半導体基板から良品の割合が高い窒化物系化合物半導体素子を複数作製することが可能な気相成長装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress variation in the oscillation wavelength of a nitride-based compound semiconductor device to be manufactured, and to make a non-defective product from a single semiconductor substrate. It is an object of the present invention to provide a vapor phase growth apparatus capable of producing a plurality of nitride compound semiconductor elements having a high ratio.
上記目的を達成するために、本発明の第1の構成による気相成長装置では、原料ガス供給口および原料ガス排気口と、原料ガス供給口と原料ガス排気口との間に配された開口部とを含み、原料ガス供給口から原料ガス排気口に向かって原料ガスを流すフローチャネルと、フローチャネルの開口部に面するように基板が載置される基板ホルダーと、基板ホルダーの下部に設けられ基板を加熱する加熱ヒータとを備え、基板ホルダーは、載置される基板と対向する面が、基板の反りの形状と略同一に、もしくは、基板の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差を持って階段状に形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the vapor phase growth apparatus according to the first configuration of the present invention, the source gas supply port, the source gas exhaust port, and the opening disposed between the source gas supply port and the source gas exhaust port A flow channel for flowing the source gas from the source gas supply port toward the source gas exhaust port, a substrate holder on which the substrate is placed facing the opening of the flow channel, and a lower portion of the substrate holder Provided with a heater for heating the substrate, and the substrate holder has at least one surface facing the substrate to be placed that is substantially the same as the shape of the substrate warp or in accordance with the shape of the substrate warp. It is characterized by having a stepped shape with the above steps.
第1の構成によると、基板ホルダーの基板と対向する面が基板の反りの形状と略同一に形成されているため、対向する基板ホルダーと基板との距離は基板面内において略同一になる。これにより、基板ホルダーからの輻射熱が基板面内において略均一に熱伝導する。したがって、基板の表面温度を基板面内で略均一とすることができ、成膜原料成分を含有する原料ガスが基板表面で接触して反応・成膜する際、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作成される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。 According to the first configuration, since the surface of the substrate holder that faces the substrate is formed to have substantially the same shape as the warp of the substrate, the distance between the facing substrate holder and the substrate is substantially the same in the substrate surface. Thereby, the radiant heat from the substrate holder conducts heat substantially uniformly within the substrate surface. Therefore, the surface temperature of the substrate can be made substantially uniform within the substrate surface, and the crystallinity of the compound semiconductor thin film that grows when the source gas containing the deposition source component contacts and reacts on the substrate surface to form a film. In addition, the layer thickness is made uniform over the entire substrate, and variations in the oscillation wavelength of the nitride-based compound semiconductor device to be produced can be suppressed.
また、本発明の第2の構成による気相成長装置では、載置される基板と対向する面に、基板を支持する複数の第1凸部を有することを特徴とする。 Further, the vapor phase growth apparatus according to the second configuration of the present invention is characterized in that a plurality of first protrusions for supporting the substrate are provided on a surface facing the substrate to be placed.
第2の構成によると、基板の反り形状が基板毎に異なる場合でも、複数の第1凸部により基板を支持することにより、基板を基板ホルダーと面で接触しないように保持することができる。これにより、基板毎に基板ホルダーとの接触度合いが異なることに起因して、基板の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。また、薄膜形成が行われる前後で反りの形状が変形する基板を載置する場合において、第1凸部の高さを基板の変形時に基板と基板ホルダーとが接触しない程度に十分高く設けることにより、薄膜形成が行われる前後で基板と基板ホルダーとが接触するのを防ぐことができる。これにより、薄膜形成が行われる前後で反りの形状が変形する基板を基板ホルダーに載置した場合でも、基板と基板ホルダーとの接触度合により、基板の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。なお、第1凸部は基板ホルダー上に2点設けることにより基板を保持することができ、3点以上設けることにより、基板をより安定して保持することができる。ここで、第1凸部の頂部は基板を支持する際、基板と当接するが、基板保持の安定性の観点から、第1凸部の頂部を平面的に見た場合に5mm以上の長さを有するとともに、1mm以上の幅を有するように構成されていること好ましい。また、基板ホルダーの基板載置面から第1凸部の頂部までの距離である第1凸部の高さを高く設けることにより、薄膜形成が行われる前後で基板と基板ホルダーが接触するのを防ぐことができるが、基板ホルダーから第1凸部を介して基板へ伝導する熱および、基板ホルダーから基板への熱輻射分による加熱性を考慮して、第1凸部の高さを、5〜5000μmとなるように設けるのが好ましく、50〜2000μmとなるように設けるのがより好ましい。また、第1凸部を複数設ける場合、各第1凸部の高さが必ずしも一律に等しい必要はなく基板の反りの形状に応じて各第1凸部の高さを変えてもよい。 According to the second configuration, even when the warpage shape of the substrate is different for each substrate, the substrate can be held so as not to come into contact with the substrate holder by supporting the substrate by the plurality of first convex portions. Thereby, it is possible to prevent the surface temperature of the substrate from becoming uneven in the substrate surface due to the difference in contact with the substrate holder for each substrate. In addition, when placing a substrate whose warped shape is deformed before and after thin film formation, the height of the first convex portion is set high enough to prevent the substrate and the substrate holder from contacting each other when the substrate is deformed. It is possible to prevent the substrate and the substrate holder from contacting each other before and after the thin film is formed. As a result, even when a substrate whose warping shape is deformed before and after thin film formation is placed on the substrate holder, the surface temperature of the substrate becomes non-uniform in the substrate plane due to the degree of contact between the substrate and the substrate holder. Can be prevented. In addition, a board | substrate can be hold | maintained by providing two 1st convex parts on a board | substrate holder, and a board | substrate can be hold | maintained more stably by providing three or more points. Here, the top of the first convex part comes into contact with the substrate when supporting the substrate, but from the viewpoint of the stability of holding the substrate, the top of the first convex part has a length of 5 mm or more when viewed in plan. It is preferable that it is comprised so that it may have 1 mm or more of width. Also, by providing a high height for the first convex portion, which is the distance from the substrate mounting surface of the substrate holder to the top of the first convex portion, the substrate and the substrate holder can be brought into contact before and after thin film formation is performed. The height of the first convex portion is set to 5 in consideration of heat conducted from the substrate holder to the substrate through the first convex portion and heatability due to heat radiation from the substrate holder to the substrate. It is preferable to provide the thickness of ˜5000 μm, and it is more preferable to provide the thickness of 50 to 2,000 μm. When a plurality of first protrusions are provided, the height of each first protrusion does not necessarily have to be equal, and the height of each first protrusion may be changed according to the shape of the warp of the substrate.
また、本発明の第3の構成による気相成長装置では、基板ホルダーと加熱ヒータとの間に配された均熱板をさらに備え、均熱板は、基板ホルダーと対向する面が、基板ホルダーの均熱板と対向する面の形状と略同一、もしくは、少なくとも1つ以上の段差を持って階段状であることを特徴とする。 The vapor phase growth apparatus according to the third configuration of the present invention further includes a soaking plate disposed between the substrate holder and the heater, and the soaking plate has a surface facing the substrate holder, It is characterized in that it is substantially the same as the shape of the surface facing the soaking plate, or is stepped with at least one step.
第3の構成によると、基板ホルダーと加熱ヒータとの間に配された均熱板の基板ホルダーと対向する面の形状が基板ホルダーの均熱板と対向する面の形状と略同一であるため、互いに対向する均熱板と基板ホルダーとの距離は面内において略同一になる。これにより、均熱板からの輻射熱または当接面からの熱が基板ホルダーへ面内において略均一に熱伝導し、基板ホルダーの基板と対向する面を均熱板の基板ホルダーと対向する面の反りの形状に応じた温度分布に加熱することができる。したがって、均熱板の基板ホルダーと対向する面の形状と基板ホルダーと基板との基板面内における距離の関係から、表面温度が基板面内で略均一になるよう基板を加熱することができる。そして、成膜原料成分を含有する原料ガスが基板表面で接触して反応・成膜する際、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作成される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。 According to the third configuration, the shape of the surface of the soaking plate disposed between the substrate holder and the heater is substantially the same as the shape of the surface of the substrate holder facing the soaking plate. The distance between the soaking plates facing each other and the substrate holder is substantially the same in the plane. As a result, the radiant heat from the heat equalizing plate or the heat from the contact surface conducts heat to the substrate holder substantially uniformly within the surface, and the surface of the substrate holder facing the substrate is the surface of the heat equalizing plate facing the substrate holder. It can be heated to a temperature distribution according to the shape of the warp. Therefore, the substrate can be heated so that the surface temperature is substantially uniform in the substrate plane, based on the relationship between the shape of the surface of the soaking plate facing the substrate holder and the distance between the substrate holder and the substrate in the substrate plane. Nitride-based compounds produced by uniformizing the crystallinity and layer thickness of the growing compound semiconductor thin film over the entire area when the source gas containing the film-forming raw material components contacts and reacts and forms a film on the substrate surface. Variations in the oscillation wavelength of the semiconductor element can be suppressed.
また、本発明の第4の構成による気相成長装置では、均熱板は、基板ホルダーと対向する面が、基板の反りの形状と略同一、もしくは、基板の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差を持って階段状に形成されていることを特徴とする。 In the vapor phase growth apparatus according to the fourth configuration of the present invention, the surface of the soaking plate facing the substrate holder is substantially the same as the shape of the warp of the substrate, or at least 1 according to the shape of the warp of the substrate. It is characterized by being formed in a staircase shape having two or more steps.
第4の構成によると、基板ホルダーに基板を載置したとき、基板の基板ホルダーと対向する面は均熱板の基板ホルダーと対向する面の形状と略同一であるため、対向する均熱板と基板との距離は基板ホルダーを介して基板面内において略同一になる。これにより、均熱板から基板ホルダーを介して基板面内において略均一に基板へ熱伝導し、基板の表面温度を基板面内で略均一にすることができる。したがって、基板の表面温度を基板面内で略均一とすることができ、成膜原料成分を含有する原料ガスが基板表面で接触して反応・成膜する際、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作成される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。 According to the fourth configuration, when the substrate is placed on the substrate holder, the surface of the substrate facing the substrate holder is substantially the same as the shape of the surface of the heat equalizing plate facing the substrate holder. The distance between the substrate and the substrate is substantially the same in the substrate surface via the substrate holder. Thereby, heat can be conducted from the soaking plate to the substrate substantially uniformly in the substrate surface via the substrate holder, and the surface temperature of the substrate can be made substantially uniform in the substrate surface. Therefore, the surface temperature of the substrate can be made substantially uniform within the substrate surface, and the crystallinity of the compound semiconductor thin film that grows when the source gas containing the deposition source component contacts and reacts on the substrate surface to form a film. In addition, the layer thickness is made uniform over the entire substrate, and variations in the oscillation wavelength of the nitride-based compound semiconductor device to be produced can be suppressed.
また、本発明の第5の構成による気相成長装置では、均熱板は基板ホルダーと面で接触していないことを特徴とする。 In the vapor phase growth apparatus according to the fifth configuration of the present invention, the soaking plate is not in contact with the substrate holder on the surface.
第5の構成によると、均熱板と基板ホルダーとが面で接触していないため、均熱板から輻射熱により基板ホルダーを加熱することができる。このため、均熱板からの熱を基板ホルダーへ面内で均一に熱伝導させることができる。これにより、基板ホルダーと均熱板との接触度合いが異なることに起因として、基板ホルダーの面内温度が不均一になるのを防ぎ、均熱板からの輻射熱により基板ホルダーを略均一に加熱することができる。 According to the fifth configuration, since the soaking plate and the substrate holder are not in contact with each other, the substrate holder can be heated by radiant heat from the soaking plate. For this reason, the heat from the soaking plate can be uniformly conducted in the plane to the substrate holder. This prevents the in-plane temperature of the substrate holder from becoming uneven due to the difference in contact between the substrate holder and the soaking plate, and the substrate holder is heated substantially uniformly by the radiant heat from the soaking plate. be able to.
また、本発明の第6の構成による気相成長装置では、基板ホルダーと対向する面に、基板ホルダーと接する複数の第2凸部を有することを特徴とする。 Further, the vapor phase growth apparatus according to the sixth configuration of the present invention is characterized in that a plurality of second convex portions in contact with the substrate holder are provided on a surface facing the substrate holder.
第6の構成によると、基板ホルダーや均熱板の製作精度の問題により、基板ホルダーと均熱板の接触面の平面度や鏡面度により接触度合いが異なる場合でも、第2凸部により基板ホルダーを均熱板と面で接触しないように支持することができる。これにより、基板ホルダーと均熱板との接触度合いが異なることに起因として、基板ホルダーの面内温度が不均一になるのを防ぎ、均熱板からの輻射熱により基板ホルダーを略均一に加熱することができる。なお、第2凸部を複数設ける場合、各第2凸部の高さが必ずしも一律に等しい必要はなく均熱板及び基板ホルダーの形状に応じて各第1凸部の高さを変えてもよい。 According to the sixth configuration, even if the degree of contact differs depending on the flatness or mirror surface of the contact surface between the substrate holder and the heat equalizing plate due to the problem of manufacturing accuracy of the substrate holder or the heat equalizing plate, the substrate holder is formed by the second convex portion. Can be supported so as not to come into contact with the soaking plate. This prevents the in-plane temperature of the substrate holder from becoming uneven due to the difference in contact between the substrate holder and the soaking plate, and the substrate holder is heated substantially uniformly by the radiant heat from the soaking plate. be able to. In addition, when providing two or more 2nd convex parts, even if it changes the height of each 1st convex part according to the shape of a soaking plate and a substrate holder, the height of each 2nd convex part does not necessarily need to be equal equally. Good.
また、上記第1から第6までの構成において、基板の反りの形状と略同一になるように基板ホルダー又は均熱板を加工するかわりに、基板の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差(ステップ)を持つ階段状に基板ホルダー又は均熱板を加工した場合においても、上記第1から第6までの構成と同様の効果を得ることができる。この場合、段差(ステップ)の数を多くするほど、加工された基板ホルダー又は均熱板の面は基板の反りの形状に近似し、略同一化する。例えば、基板ホルダーの基板と対向する面を格子状に複数の面に分割し、各分割面と対向する基板との距離が略同一になるよう隣接する分割面に段差(ステップ)を持たせて階段状に加工することで、各分割面からの輻射熱により基板の面内温度が均一になるように基板を加熱することができる。これにより、基板の表面温度を基板面内でより均一に加熱することができ、成膜原料成分を含有する原料ガスが基板表面で接触して反応・成膜する際、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作成される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。また、段差(ステップ)の形状は任意の形状に加工することができ、分割面の形状は四角形状又は円形状が好ましい。また、四角形状及び円形状の面を組み合わせて複数の段差(ステップ)を加工することも可能である。また、各分割面は対向する基板の反りの形状に応じて傾斜させてもよい。また、分割面は格子状に複数分割する場合に限らず、基板中心と対向する面のみを四角形状に1つ段差を持たせて階段状に凹ませたり、凸ませて分割面を形成してもよい。 In the first to sixth configurations, instead of processing the substrate holder or the heat equalizing plate so as to be substantially the same as the shape of the warp of the substrate, at least one or more in accordance with the shape of the warp of the substrate. Even when the substrate holder or the heat equalizing plate is processed into a stepped shape having steps, the same effects as those of the first to sixth configurations can be obtained. In this case, as the number of steps (steps) is increased, the surface of the processed substrate holder or the soaking plate approximates the shape of the warp of the substrate and becomes substantially the same. For example, the surface of the substrate holder that faces the substrate is divided into a plurality of surfaces in a lattice shape, and a step (step) is provided between adjacent divided surfaces so that the distance between each divided surface and the facing substrate is substantially the same. By processing in a staircase pattern, the substrate can be heated so that the in-plane temperature of the substrate becomes uniform due to the radiant heat from each divided surface. Thereby, the surface temperature of the substrate can be heated more uniformly in the substrate surface, and when the source gas containing the film forming raw material component contacts and reacts on the substrate surface, the compound semiconductor thin film that grows The crystallinity and the layer thickness are uniform over the entire substrate, and variations in the oscillation wavelength of the nitride-based compound semiconductor device to be produced can be suppressed. Further, the shape of the step (step) can be processed into an arbitrary shape, and the shape of the dividing surface is preferably a square shape or a circular shape. It is also possible to process a plurality of steps by combining square and circular surfaces. Moreover, each division surface may be inclined according to the shape of the warp of the opposing substrate. In addition, the dividing surface is not limited to the case of dividing into a plurality of grids, and only the surface facing the center of the substrate is recessed in a stepped shape with one step in a square shape, or the dividing surface is formed by projecting. Also good.
本発明の気相成長装置は、基板の反り量バラツキによる基板面内における温度のバラツキを小さくする手段が設けられているので、薄膜の結晶性および層厚、特に活性層の発光波長の基板面内での均一性を確保することができる。 Since the vapor phase growth apparatus of the present invention is provided with means for reducing temperature variations in the substrate surface due to variations in the amount of warpage of the substrate, the crystallinity and layer thickness of the thin film, particularly the substrate surface of the emission wavelength of the active layer It is possible to ensure uniformity in the inside.
以下、本発明を具体化した実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、気相成長装置の一例であるMOCVD装置に本発明を適用した例について説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiment, an example in which the present invention is applied to an MOCVD apparatus which is an example of a vapor phase growth apparatus will be described.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による気相成長装置の反応室の断面図であり、図2は図1に示した本発明の第1実施形態による気相成長装置を構成する基板ホルダーの上面図であり、図3は図2に示したX−X’線に沿った断面図であり、図4は図2に示したY−Y’線に沿った断面図である。ここで、X方向は〈11−20〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。まず、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態のMOCVD装置101について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a reaction chamber of a vapor phase growth apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a substrate holder constituting the vapor phase growth apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is a sectional view taken along line XX ′ shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a sectional view taken along line YY ′ shown in FIG. Here, the X direction is a direction perpendicular to the digging region formed on the semiconductor substrate at <11-20>, and the Y direction is relative to the digging region formed on the semiconductor substrate at <1-100>. Horizontal direction. First, the
第1実施形態のMOCVD装置101は、図1に示すように、反応室102内に原料ガスを基板上に効率よく導くために管状のフローチャネル103が設けられ、フローチャネル103の両端でガス供給口117とガス排出口118を形成している。また、フローチャネル103の長手方向の略中央部には基板ホルダー108上に載置された半導体基板107表面がフローチャンネル103内部に臨む開口部が形成されている。また、基板回転機構111が設置され、基板回転機構111は半導体基板107を基板ホルダー108とともに、基板回転機構111の回転により回転させる。これにより、基板回転機構111を回転させながら半導体基板107表面に薄膜形成を行うことで、半導体基板107全域にわたり形成される化合物半導体薄膜の結晶性および層厚を均一化することができる。また、半導体基板107を保持する基板ホルダー108の下部には、半導体基板107を加熱するための加熱ヒータ109が設けられ、結晶成長に最適な反応状態になるよう半導体基板107を加熱することができる。また、反応室102内には、図示しないが半導体基板107と基板ホルダー108を自動搬出入するための自動搬出入機が設けられている。
In the
また、図2に示すように、基板ホルダー108の上面には基板ホルダー108の回転中心に対して等しい円周角で第1凸部105が4点設けられ、これら第1凸部105が半導体基板107をフローティング状に支持する。これにより、半導体基板107毎に基板ホルダー108との接触度合いが異なることに起因して、半導体基板107の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。また、本実施形態では、掘り込み領域がY方向に形成された半導体基板107を2点の第1凸部105でY方向に支持するとともに、残り2点の第1凸部105で掘り込み領域と垂直方向であるX方向に支持する。なお、第1凸部105と半導体基板107に形成された掘り込み領域の延在方向との位置関係は上記場合に限定されず、半導体基板107の反りの形状に応じて変更することができる。例えば、図5は図1に示した本発明の第1実施形態による気相成長装置を構成する基板ホルダーの上面図であるが、図5に示すように、掘り込み領域の延在方向(Y方向)が線状に並んだ2点の第1凸部105に対して45°の角度を有するように各第1凸部105を回転させて基板ホルダー108上に載置しても、半導体基板107の面内温度を均一に加熱することができる。なお、第1凸部105は基板ホルダー108上に2点設けることにより半導体基板107を保持することができ、3点以上設けることにより、半導体基板107をより安定して保持することができる。ここで、第1凸部105の頂部は半導体基板107を支持する際、半導体基板107と当接するが、半導体基板107保持の安定性の観点から、第1凸部105の頂部を平面的に見た場合に5mm以上の長さを有するとともに1mm以上の幅を有するように構成されているのが好ましい。
As shown in FIG. 2, four first
また、図3および図4に示すように、第1凸部105は、薄膜形成による半導体基板107の変形時に基板ホルダー108と半導体基板107とが接触しない程度に十分高さを有している。具体的には、第1凸部105は約100μmの高さを有している。これにより、薄膜形成が行われる前後で半導体基板107と基板ホルダー108とが接触するのを防ぐことができる。したがって、薄膜形成が行われる前後で反りの形状が変形する半導体基板107を基板ホルダー108に載置した場合でも、半導体基板107と基板ホルダー108との接触度合により、半導体基板107の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。なお、基板ホルダー108の基板載置面108aから第1凸部105の頂部までの距離である第1凸部105の高さを高く設けることにより、薄膜形成が行われる前後で半導体基板107と基板ホルダー108が接触するのを防ぐことができるが、基板ホルダー108から第1凸部105を介して半導体基板107へ伝導する熱および、基板ホルダー108から半導体基板107への熱輻射分による加熱性を考慮して、第1凸部105の高さは、5〜5000μmとなるように設けるのが好ましく、50〜2000μmとなるように設けるのがより好ましい。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the first
また、図3および図4に示すように、基板ホルダー108の半導体基板107と対向する基板載置面108aは、薄膜形成が行われた後の半導体基板107の基板ホルダー108と対向する面の反りの形状と略同一形状にするため、X方向において0μm、Y方向において下に40μm凹んだ形状に加工されている。このような形状に基板載置面108aを成形することにより、薄膜形成が行われる前の半導体基板107を基板ホルダー108aに載置したとき、対向する基板ホルダー108と半導体基板107との距離は半導体基板107の基板面内において不均一であるが、薄膜形成が行われ半導体基板107が変形した後、対向する基板ホルダー108と半導体基板107との距離は半導体基板107の基板面内において略均一になる。これにより、基板変形後、基板ホルダー108からの輻射熱が基板面内において略均一に半導体基板107に熱伝導し、半導体基板107の表面温度を面内で略均一に加熱することができる。なお、半導体基板107の反り方向及び反り量は基板ごとのバラツキが大きいため、想定される基板反り量の最大値から基板載置面108aの反りの形状を決定することにより、半導体基板107ごとの反り量のバラツキによる半導体基板107の表面温度の面内分布の不均一化を防止することができる。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the
なお、半導体基板107の反りの形状と略同一になるように基板載置面108aを加工するかわりに、半導体基板107の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差(ステップ)を持つ階段状に基板載置面108aを加工した場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、段差(ステップ)の数を多くするほど、加工された基板載置面108aは半導体基板107の反りの形状に近似し、略同一化する。例えば、基板載置面108aを格子状に複数の面に分割し、各分割面と対向する半導体基板107との距離が略同一になるよう隣接する分割面に段差(ステップ)を持たせて階段状に加工することで、各分割面からの輻射熱により基板の面内温度が均一になるように半導体基板107を加熱することができる。また、段差(ステップ)の形状は任意の形状に加工することができ、分割面の形状は四角形状又は円形状が好ましい。また、四角形状及び円形状の面を組み合わせて複数の段差(ステップ)を加工することも可能である。また、各分割面は対向する半導体基板107の反りの形状に応じて傾斜させてもよい。また、分割面は格子状に複数分割する場合に限らず、基板中心と対向する面のみを四角形状に1つ段差を持たせて階段状に凹ませたり、凸ませて分割面を形成してもよい。
Instead of processing the
次に、特許文献(特開2006−134926)に開示された作製方法と同様の方法により、Y方向に延在する掘り込み領域が350μmの間隔を隔ててX方向に周期的に複数形成され、掘り込み領域のY方向のオフ角θaが−0.28°、X方向のオフ角θbが−0.03°、掘り込み領域の開口幅が3μm、深さが3μmに加工された半導体基板107を上記第1実施形態のMOCVD装置101の第1凸部105が設けられた基板ホルダー108上に載置し、MOCVD法により、所定の成長条件で半導体基板107上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層した。なお、上記掘り込み領域が形成された半導体基板107は薄膜形成を行なう前後の反りの形状は、図24および図25で示した反り量と略同一の反り量を示す基板である。
Next, by a method similar to the manufacturing method disclosed in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-134926), a plurality of digging regions extending in the Y direction are periodically formed in the X direction with an interval of 350 μm,
このようにして窒化物半導体成長層が形成された半導体基板107をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作製し、各窒化物半導体レーザ素子に分割前の半導体基板107における発振波長面内分布を図6および図7のグラフにまとめた。図6は図2に示したX−X’線に沿った発振波長の面内分布であり、図7は図2に示したY−Y’線に沿った発振波長の面内分布である。なお、窒化物半導体成長層の具体的な積層方法及び窒化物半導体レーザ素子の具体的な作製方法について特許文献(特開2006−134926)および周知の技術を用いて実施されるので、その詳細な説明は以下省略する。図6および図7のグラフより、窒化物系半導体レーザ素子の波長面内分布の標準偏差σをσ=0.59nmのバラツキに抑えることができた。したがって、載置面の形状が半導体基板の反りの形状に関係なく平面状に形成された基板ホルダーを用いて窒化物半導体成長層を積層して得られた図29および図30に示す測定値と比較して各発振波長のバラツキが低く抑えられ、非常に高い製造歩留まり結果を得ることができた。
The
なお、図8〜図10は第1実施形態による気相成長装置の変形例を説明する図であり、図8は、基板ホルダーの上面図であり、図9は図8に示したX−X’線に沿った断面図であり、図10は図8に示したY−Y’線に沿った断面図である。ここで、X方向は〈11−20〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。 8 to 10 are views for explaining a modification of the vapor phase growth apparatus according to the first embodiment, FIG. 8 is a top view of the substrate holder, and FIG. 9 is an XX shown in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line YY ′ shown in FIG. 8. Here, the X direction is a direction perpendicular to the digging region formed on the semiconductor substrate at <11-20>, and the Y direction is relative to the digging region formed on the semiconductor substrate at <1-100>. Horizontal direction.
図8〜図10に示す第1実施形態の変形例では、掘り込み領域が形成されていない半導体基板607を載置するための基板ホルダー608が用いられ、この基板載置面608aの形状は薄膜形成後の半導体基板607の反りの形状と略同一になるよう加工されている。このため、図9および図10に示すようにX方向において下に40μm、Y方向において下に40μm凹んだ状態に加工され、この半導体基板607の変形後、半導体基板607と基板ホルダー608との距離が基板面内において略同一となるよう設計されている。なお、基板ホルダー607以外の構成は上記第1実施形態の気相成長装置101と同一であり説明を省略する。
In the modification of the first embodiment shown in FIGS. 8 to 10, a
ここで、この基板ホルダー108上に掘り込み領域が形成されていない半導体基板607を載置し、MOCVD法により、所定の成長条件で半導体基板607上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層し、窒化物半導体成長層が形成された半導体基板607をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作成したところ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板607における発振波長面内分布の標準偏差σをσ=0.55nmのバラツキに抑えることができた。
Here, a
また、載置面の形状が平面状に形成された基板ホルダーを用いて同様の方法により窒化物半導体成長層を積層して、窒化物半導体レーザ素子を複数作成したところ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板における発振波長面内分布の標準偏差σはσ=1.37nmのバラツキがあった。すなわち、上述のように薄膜形成が行われた後、変形した半導体基板107または半導体基板607の反りの形状と略同一形状に基板載置面108aまたは基板載置面608aを加工することにより、半導体基板を基板ホルダーに載置して、成膜原料成分を含有する原料ガスが半導体基板表面で接触して反応・成膜した場合、薄膜形成が行われ半導体基板が変形し、対向する基板ホルダーと半導体基板との距離は半導体基板の基板面内において略均一になる。これにより、半導体基板の変形後、基板ホルダーからの輻射熱が基板面内において略均一に半導体基板に熱伝導し、半導体基板の表面温度が面内で略均一になるよう加熱することができ、その後成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が半導体基板全域にわたり均一化し、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。
Further, when a plurality of nitride semiconductor laser elements are formed by laminating nitride semiconductor growth layers by a similar method using a substrate holder having a mounting surface formed in a flat shape, each nitride semiconductor laser element is obtained. The standard deviation σ of the oscillation wavelength in-plane distribution in the semiconductor substrate before the division was σ = 1.37 nm. That is, after the thin film is formed as described above, the
(第2実施形態)
図11は、第2実施形態による気相成長装置を構成する基板ホルダーを示す上面図であり、図12は図11に示したX−X’線に沿った断面図であり、図13は図11に示したY−Y’線に沿った断面図である。ここで、X方向は〈11−20〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。図11〜図13を参照して、本発明の第2実施形態のMOCVD装置201について説明する。
(Second Embodiment)
11 is a top view showing a substrate holder constituting the vapor phase growth apparatus according to the second embodiment, FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XX ′ shown in FIG. 11, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line YY ′ shown in FIG. Here, the X direction is a direction perpendicular to the digging region formed on the semiconductor substrate at <11-20>, and the Y direction is relative to the digging region formed on the semiconductor substrate at <1-100>. Horizontal direction. A MOCVD apparatus 201 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
第2実施形態のMOCVD装置201は、図11〜図13に示すように、反応室内の基板ホルダー208と加熱ヒータ209との間に均熱板215が配され、基板ホルダー208の半導体基板207と対向する面である基板載置面208aは平面状に形成されている。また、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面は薄膜形成が行われた後の半導体基板207の反りの形状と略同一にするために、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面がX方向は上に5μm凸、Y方向は下に40μm凹んだ形状に加工されている。また、基板ホルダー208の均熱板215との接触面は均熱板215の形状に合わせて加工されている。つまり、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面は、基板ホルダー208の均熱板215と対向する面の形状と略同一であり、均熱板215と基板ホルダー208とが面で接触し、均熱板215と基板ホルダー208との間に空隙がない。このため、均熱板215から基板ホルダー208へ均一に熱伝導させることができる。なお、半導体基板207の反り方向及び反り量は基板ごとのバラツキが大きいため、想定されるX方向およびY方向における基板反り量の最大値から基板載置面208aの形状を決定することにより、半導体基板207ごとの反り量のバラツキによる半導体基板207の表面温度の面内分布の不均一化を防止することができる。
In the MOCVD apparatus 201 of the second embodiment, as shown in FIGS. 11 to 13, a soaking
なお、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面は薄膜形成が行われた後の半導体基板207の反りの形状と略同一になるように加工するかわりに、半導体基板207の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差(ステップ)を持つ階段状に加工した場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、段差(ステップ)の数を多くするほど、加工された均熱板215の基板ホルダー208と対向する面は半導体基板107の反りの形状に近似し、略同一化する。また、段差(ステップ)の形状は任意の形状に加工することができ、分割面の形状は四角形状又は円形状が好ましい。また、四角形状及び円形状の面を組み合わせて複数の段差(ステップ)を加工することも可能である。また、各分割面は対向する半導体基板207の反りの形状に応じて傾斜させてもよい。また、分割面は格子状に複数分割する場合に限らず、基板中心と対向する面のみを四角形状に1つ段差を持たせて階段状に凹ませたり、凸ませて分割面を形成してもよい。
Instead of processing the surface of the soaking
また、基板ホルダー208の均熱板215側の面は均熱板の215の形状に合わせて加工されているが、半導体基板207側の面は平面状に形成されている。このため、均熱板215の熱は接触する基板ホルダー208に熱伝導し、基板載置面208aを均熱板215の反りの形状に応じた面内温度分布で加熱することができる。このとき、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面の反りの形状は、半導体基板207の基板ホルダー208と対向する面の反りの形状と略同一であるため、基板載置面208を結果的に輻射熱により半導体基板207を基板面内で略均一に加熱可能な温度分布に加熱することができる。
The surface of the
また、基板ホルダー208上面には基板ホルダー208の回転中心に対して等しい円周角で第1凸部205が4点設けられ、これら第1凸部205が半導体基板207をフローティング状に支持する。これにより、半導体基板207毎に基板ホルダー208との接触度合いが異なることに起因して、半導体基板207の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。このとき、掘り込み領域がY方向に形成された半導体基板207を2点の第1凸部205でY方向に支持するとともに、残り2点の第1凸部205で掘り込み領域と垂直方向であるX方向に支持する。
In addition, four first
また、第1凸部205は、薄膜形成による半導体基板207の変形時に基板ホルダー208と半導体基板207とが接触しない程度に十分高さを有している。具体的には、第1凸部205は約200μmの高さを有している。
Further, the first
また、輻射熱は距離の2乗に反比例するため、平面状の基板載置面208aと反った形状の半導体基板207間の距離を第1凸部205の高さを調節することにより、基板載置面208aから半導体基板207への輻射熱による加熱分布の影響を調整することができる。このため、本実施形態において基板載置面208aが基板載置面208aと半導体基板207との基板面内における距離に応じた温度分布で加熱されていない場合、第1凸部205の高さを調節して、基板載置面208aからの輻射熱による基板面内における加熱分布の強弱を調整することで半導体基板207の表面温度を基板面内で略均一にすることができる。
Further, since the radiant heat is inversely proportional to the square of the distance, the distance between the planar
ここで、特許文献(特開2006−134926)に開示された作製方法と同様の方法により、Y方向に延在する掘り込み領域が350μmの間隔を隔ててX方向に周期的に複数形成され、掘り込み領域のY方向のオフ角θaが−0.33°、X方向のオフ角θbが−0.06°、掘り込み領域の開口幅が3μm、深さが3μmに加工された半導体基板207を上記第2実施形態のMOCVD装置201の基板ホルダー208上に載置し、MOCVD法により、半導体基板207を所定の成長条件で半導体基板207上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層した。
Here, by a method similar to the manufacturing method disclosed in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-134926), a plurality of digging regions extending in the Y direction are periodically formed in the X direction with an interval of 350 μm, The
このようにして窒化物半導体成長層が形成された半導体基板207をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作製したところ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板207における発振波長面内分布の標準偏差σをσ=0.65nmのバラツキに抑えることができた。
Thus, when the
また、均熱板の基板ホルダーと対向する面を平面状に形成するとともに、載置面の形状が半導体基板の反りの形状に関係なく平面状に形成された基板ホルダーを用いて窒化物半導体成長層を積層して、窒化物半導体レーザ素子を複数作製したところ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板における発振波長面内分布の標準偏差σはσ=1.37nmのバラツキがあった。すなわち、上述のように、薄膜形成が行われた後、変形した半導体基板207の反りの形状と略同一形状に均熱板215の基板ホルダー208と対向する面を加工することにより、基板ホルダー208に半導体基板207を載置して、成膜原料成分を含有する原料ガスが半導体基板207表面で接触して反応・成膜した場合、薄膜形成が行われ半導体基板207が変形した後、均熱板215の基板ホルダー208と対向する面と半導体基板207との距離は半導体基板207の基板面内において略均一になる。これにより、均熱板215からの熱が基板ホルダー208を介して半導体基板207の基板面内において略均一に熱伝導し、半導体基板207の表面温度を基板面内で略均一にすることができる。そして、半導体基板207の表面温度が基板面内で略均一になるよう加熱することができ、その後成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が半導体基板207全域にわたり均一化し、作成される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。
In addition, the surface of the soaking plate facing the substrate holder is formed in a planar shape, and nitride semiconductor growth is performed using the substrate holder in which the mounting surface is formed in a planar shape regardless of the warp shape of the semiconductor substrate. When a plurality of nitride semiconductor laser elements were fabricated by stacking layers, the standard deviation σ of the oscillation wavelength in-plane distribution in the semiconductor substrate before the division of each nitride semiconductor laser element had a variation of σ = 1.37 nm. . That is, as described above, after the thin film is formed, the surface of the
(第3実施形態)
図14は、第3実施形態による気相成長装置を構成する基板ホルダーの上面図であり、図15は図14に示したX−X’線に沿った断面図であり、図16は図14に示したY−Y’線に沿った断面図である。ここで、X方向は〈11−20〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。図14〜図16を参照して、本発明の第3実施形態のMOCVD装置301について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 14 is a top view of the substrate holder constituting the vapor phase growth apparatus according to the third embodiment, FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ shown in FIG. 14, and FIG. It is sectional drawing along the YY 'line shown in FIG. Here, the X direction is a direction perpendicular to the digging region formed on the semiconductor substrate at <11-20>, and the Y direction is relative to the digging region formed on the semiconductor substrate at <1-100>. Horizontal direction. With reference to FIGS. 14-16, the MOCVD apparatus 301 of 3rd Embodiment of this invention is demonstrated.
第3実施形態のMOCVD装置301は、図14〜図16に示すように、反応室内の基板ホルダー308と加熱ヒータ309との間に均熱板315が配され、基板ホルダー308の半導体基板307と対向する面である基板載置面308aは、薄膜形成が行われた後の半導体基板307の反りの形状と略同一形状にするため、X方向において上に5μm凸、Y方向において下に40μm凹んだ形状に加工されている。また、均熱板315の基板ホルダー308と対向する面も薄膜形成が行われた後の半導体基板307の反りの形状と略同一にするため、X方向は上に5μm凸、Y方向は下に40μm凹んだ形状に加工されている。また、基板ホルダー308は均熱板315と面で当接するよう均熱板315との接触面は均熱板315の形状に合わせて加工されている。つまり、均熱板315の基板ホルダー308と対向する面は、基板ホルダー308の均熱板315と対向する面の形状と略同一であり、均熱板315と基板ホルダー308とが面で接触し、均熱板315と基板ホルダー308との間に空隙がない。このため、均熱板315から基板ホルダー308へ均一に熱伝導させることができる。なお、半導体基板307の反り方向及び反り量は基板ごとのバラツキが大きいため、想定されるX方向およびY方向における基板反り量の最大値から基板載置面308aの形状を決定することにより、半導体基板307ごとの反り量のバラツキによる半導体基板307の表面温度の面内分布の不均一化を防止することができる。
In the MOCVD apparatus 301 of the third embodiment, as shown in FIGS. 14 to 16, a soaking
また、基板ホルダー308の均熱板315側の面は均熱板の315の形状に合わせて加工され、半導体基板307側の面は半導体基板307の反りの形状と略同一形状に形成されている。このため、基板面内における半導体基板307と基板載置面308aとの距離および基板載置面308aと均熱板315の基板ホルダー308と対向する面との距離がそれぞれ略均一になる。これにより均熱板315からの熱伝導により、基板載置面308aが面内で略均一に加熱され、基板載置面308aからの輻射熱により半導体基板307を基板面内で略均一に加熱することができる。
The surface of the
なお、薄膜形成が行われた後の半導体基板307の反りの形状と略同一になるように基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面を加工するかわりに、半導体基板307の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差(ステップ)を持つ階段状に基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面を加工した場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、段差(ステップ)の数を多くするほど、加工された基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面は半導体基板307の反りの形状に近似し、略同一化する。例えば、基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面をそれぞれ格子状に複数の面に分割し、各分割面と対向する半導体基板307との距離が略同一になるよう隣接する分割面に段差(ステップ)を持たせて階段状に加工することで、均熱板315からの熱伝導により、基板載置面308aが面内で略均一に加熱され、基板載置面308aからの輻射熱により半導体基板307を基板面内で略均一に加熱することができる。このとき、基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面は同一に加工する必要はなく、半導体基板307が面内で略均一に加熱されるようにそれぞれの形状を加工しても良い。
Instead of processing the
また、基板ホルダー308上面には基板ホルダー308の回転中心に対して等しい円周角で第1凸部305が4点設けられ、これら第1凸部305が半導体基板307をフローティング状に支持する。これにより、半導体基板307毎に基板ホルダー308との接触度合いが異なることに起因して、半導体基板307の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。このとき、掘り込み領域がY方向に形成された半導体基板307を2点の第1凸部305でY方向に支持するとともに、残り2点の第1凸部305で掘り込み領域と垂直方向であるX方向に支持する。
Further, four first
また、第1凸部305は、薄膜形成による半導体基板307の変形時に基板ホルダー308と半導体基板307とが接触しない程度に十分高さを有している。具体的には、第1凸部305は約100μmの高さを有している。
Further, the first
また、輻射熱は距離の2乗に反比例するが、本実施形態の基板載置面308aは半導体基板307の反りの形状と略同一であるため、基板載置面308aと半導体基板307間の距離により、基板面内における基板載置面308aから半導体基板307への輻射熱による加熱分布の強弱は変化しない。このため、第1凸部305の高さを低く調節して、基板面内における基板載置面308aからの輻射熱により半導体基板307を強く加熱することができる。
Although the radiant heat is inversely proportional to the square of the distance, the
ここで、特許文献(特開2006−134926)に開示された作製方法と同様の方法により、Y方向に延在する掘り込み領域が350μmの間隔を隔ててX方向に周期的に複数形成され、掘り込み領域のY方向のオフ角θaが−0.33°、X方向のオフ角θbが−0.06°、掘り込み領域の開口幅が3μm、深さが3μmに加工された半導体基板307を上記第3実施形態のMOCVD装置301の基板ホルダー308上に載置し、MOCVD法により、半導体基板307を所定の成長条件で半導体基板307上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層した。
Here, by a method similar to the manufacturing method disclosed in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-134926), a plurality of digging regions extending in the Y direction are periodically formed in the X direction with an interval of 350 μm,
このようにして窒化物半導体成長層が形成された半導体基板307をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作製したところ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板307における発振波長面内分布の標準偏差σをσ=0.50nmのバラツキに抑えることができた。
Thus, when the
また、均熱板の基板ホルダーと対向する面を平面状に形成するとともに、載置面の形状が半導体基板の反りの形状に関係なく平面状に形成された基板ホルダーを用いて窒化物半導体成長層を積層して、窒化物半導体レーザ素子を複数作製したとろ、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板における発振波長面内分布の標準偏差σはσ=1.37nmのバラツキであった。すなわち、上述のように、薄膜形成が行われた後、変形する半導体基板307の反りの形状と略同一形状に基板載置面308a及び均熱板315の基板ホルダー308と対向する面を加工することにより、基板ホルダー308に半導体基板307を載置して、成膜原料成分を含有する原料ガスが半導体基板307表面で接触して反応・成膜した場合、薄膜形成が行われ半導体基板307が変形した後、基板面内における半導体基板307と基板載置面308aとの距離および基板載置面308aと均熱板315の基板ホルダー308と対向する面との距離が略均一になる。これにより、均熱板315からの熱伝導により、基板載置面308aが面内で略均一に加熱され、基板載置面308aからの輻射熱により半導体基板307を基板面内で略均一に加熱され、その後、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。
In addition, the surface of the soaking plate facing the substrate holder is formed in a planar shape, and nitride semiconductor growth is performed using the substrate holder in which the mounting surface is formed in a planar shape regardless of the warp shape of the semiconductor substrate. When a plurality of nitride semiconductor laser elements were fabricated by stacking layers, the standard deviation σ of the oscillation wavelength in-plane distribution in the semiconductor substrate before the division of each nitride semiconductor laser element was a variation of σ = 1.37 nm. . That is, as described above, after the thin film is formed, the surface of the
(第4実施形態)
図17は、第4実施形態による気相成長装置を構成する基板ホルダーの上面図であり、図18は図17に示したX−X’線に沿った断面図であり、図19は図17に示したY−Y’線に沿った断面図である。ここで、X方向は〈11−20〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に垂直な方向であり、Y方向は〈1−100〉で半導体基板上に形成された掘り込み領域に対して水平な方向である。図17〜図19を参照して、本発明の第4実施形態のMOCVD装置301について説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 17 is a top view of the substrate holder constituting the vapor phase growth apparatus according to the fourth embodiment, FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ shown in FIG. 17, and FIG. It is sectional drawing along the YY 'line shown in FIG. Here, the X direction is a direction perpendicular to the digging region formed on the semiconductor substrate at <11-20>, and the Y direction is relative to the digging region formed on the semiconductor substrate at <1-100>. Horizontal direction. With reference to FIGS. 17-19, the MOCVD apparatus 301 of 4th Embodiment of this invention is demonstrated.
第4実施形態のMOCVD装置401は、図17〜図19に示すように、反応室内の基板ホルダー408と加熱ヒータ409との間に均熱板415が配され、基板ホルダー408の半導体基板407と対向する面である基板載置面408aは、薄膜形成が行われた後の半導体基板407の反りの形状と略同一形状にするため、X方向において上に5μm凸、Y方向において下に40μm凹んだ形状に加工されている。また、均熱板415の基板ホルダー408と対向する面も薄膜形成が行われた後の半導体基板407の反りの形状と略同一にするため、X方向は上に5μm凸、Y方向は下に40μm凹んだ形状に加工されている。また、基板ホルダー408の均熱板415と対向する面は均熱板415の形状に合わせて加工されるとともに、均熱板415上に第2凸部406が4点設けられ、これら第2凸部406が基板ホルダー408をフローティング状に支持している。つまり、均熱板415の基板ホルダー408と対向する面は、基板ホルダー408の均熱板415と対向する面の形状と略同一であり、このような形状に均熱板415および基板ホルダー408を成形することにより、基板ホルダー408の載置面408aに半導体基板407を載置したとき、均熱板415からの輻射熱により基板ホルダー408が加熱され、基板載置面408aからの輻射熱により半導体基板407を加熱することができる。なお、半導体基板407の反り方向及び反り量は基板ごとのバラツキが大きいため、想定されるX方向およびY方向における基板反り量の最大値から基板載置面408aの形状を決定することにより、半導体基板407ごとの反り量のバラツキによる半導体基板407の表面温度の面内分布の不均一化を防止することができる。
In the MOCVD apparatus 401 of the fourth embodiment, as shown in FIGS. 17 to 19, a soaking
このとき、基板載置面408aと均熱板415の基板ホルダー408と対向する面はともに半導体基板407の反りの形状と略同一形状に形成されているため、基板面内における半導体基板407と基板載置面408aとの距離および基板載置面408aと均熱板415の基板ホルダー408と対向する面との距離はそれぞれ略均一になる。また、均熱板415上に設けられた第2凸部406が基板ホルダー408をフローティング状に支持しているため、均熱板415からの熱を基板ホルダー408へ輻射熱により熱伝導することができる。このため、均熱板415と基板ホルダー408の接触面の加工精度の不良により均熱板415から基板ホルダー408へ不均一に熱伝導することを防止することができる。以上より、均熱板415からの輻射熱により、基板載置面408aが面内で略均一に加熱され、基板載置面408aからの輻射熱により半導体基板407を基板面内で略均一に加熱することができる。
At this time, since both the
なお、薄膜形成が行われた後の半導体基板407の反りの形状と略同一になるように基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー408と対向する面を加工するかわりに、半導体基板407の反りの形状に合わせて少なくとも1つ以上の段差(ステップ)を持つ階段状に基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー308と対向する面を加工した場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、段差(ステップ)の数を多くするほど、加工された基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー408と対向する面は半導体基板407の反りの形状に近似し、略同一化する。例えば、基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー408と対向する面をそれぞれ格子状に複数の面に分割し、各分割面と対向する半導体基板407との距離が略同一になるよう隣接する分割面に段差(ステップ)を持たせて階段状に加工することで、均熱板415からの熱伝導により、基板載置面408aが面内で略均一に加熱され、基板載置面408aからの輻射熱により半導体基板407を基板面内で略均一に加熱することができる。このとき、基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー408と対向する面は同一に加工する必要はなく、半導体基板407が面内で略均一に加熱されるようにそれぞれの形状を加工しても良い。
Instead of processing the
また、基板ホルダー408上面には基板ホルダー408の回転中心に対して等しい円周角で第1凸部405が4点設けられ、これら第1凸部405が半導体基板407をフローティング状に支持する。これにより、半導体基板407毎に基板ホルダー408との接触度合いが異なることに起因して、半導体基板407の表面温度が基板面内で不均一になるのを防ぐことができる。このとき、掘り込み領域がY方向に形成された半導体基板407を2点の第1凸部405でY方向に支持するとともに、残り2点の第1凸部405で掘り込み領域と垂直方向であるX方向に支持する。
Further, four first
また、第1凸部405は、薄膜形成による半導体基板407の変形時に基板ホルダー408と半導体基板407とが接触しない程度に十分高さを有している。具体的には、第1凸部405は約100μmの高さを有している。
The first
また、輻射熱は距離の2乗に反比例するが、本実施形態の基板載置面408aは半導体基板407の反りの形状と略同一であるため、基板載置面408aと半導体基板407間の距離により、基板面内における基板載置面408aから半導体基板407への輻射熱による加熱分布の強弱は変化しない。このため、第1凸部405の高さを低く調節して、基板面内における基板載置面408aからの輻射熱により半導体基板407を強く加熱することができる。また、第2凸部406についても第1凸部405と同様に、均熱板415と基板ホルダー408との対向する面の距離が面内において略同一であるため、第2凸部406の高さを低く調節して、基板面内における均熱板415からの輻射熱により基板ホルダー408を強く加熱することができる。
Although the radiant heat is inversely proportional to the square of the distance, the
ここで、特許文献(特開2006−134926)に開示された作製方法と同様の方法により、Y方向に延在する掘り込み領域が350μmの間隔を隔ててX方向に周期的に複数形成され、掘り込み領域のY方向のオフ角θaが−0.33°、X方向のオフ角θbが−0.06°、掘り込み領域の開口幅が3μm、深さが3μmに加工された半導体基板407を上記第4実施形態のMOCVD装置401の第1凸部405が設けられた基板ホルダー408上に載置し、MOCVD法により、半導体基板407を所定の成長条件で半導体基板407上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層した。
Here, by a method similar to the manufacturing method disclosed in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-134926), a plurality of digging regions extending in the Y direction are periodically formed in the X direction with an interval of 350 μm,
このようにして窒化物半導体成長層が形成された半導体基板407をチップ状に分割して窒化物半導体レーザ素子を複数作成し、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板407における発振波長面内分布を図20のグラフにまとめた。図20は図17に示したX−X’線に沿った発振波長の面内分布である。図20のグラフより、窒化物系半導体レーザ素子の波長面内分布の標準偏差σをσ=0.1nmのバラツキに抑えることができ、基板毎の波長は標準偏差σに最大σ=2.5nmのバラツキがあった。
The
また、均熱板の基板ホルダーと対向する面を平面状に形成するとともに、載置面の形状が半導体基板の反りの形状に関係なく平面状に形成された基板ホルダーを用いて窒化物半導体成長層を積層して、窒化物半導体レーザ素子を複数作成し、各窒化物半導体レーザ素子の分割前の半導体基板における発振波長の面内分布の標準偏差σはσ=1.37nmのバラツキがあった。 In addition, the surface of the soaking plate facing the substrate holder is formed in a planar shape, and nitride semiconductor growth is performed using the substrate holder in which the mounting surface is formed in a planar shape regardless of the warp shape of the semiconductor substrate. A plurality of nitride semiconductor laser elements are formed by stacking layers, and the standard deviation σ of the in-plane distribution of the oscillation wavelength in the semiconductor substrate before the division of each nitride semiconductor laser element has a variation of σ = 1.37 nm. .
すなわち、上述のように、薄膜形成が行われた後、変形する半導体基板407の反りの形状と略同一形状に基板載置面408a及び均熱板415の基板ホルダー408と対向する面を加工することにより、基板ホルダー408に半導体基板407を載置して、成膜原料成分を含有する原料ガスが半導体基板407表面で接触して反応・成膜した場合、薄膜形成が行われ半導体基板407が変形した後、基板面内における半導体基板407と基板載置面408aとの距離および基板載置面408aと均熱板415の基板ホルダー408と対向する面との距離が略均一になる。また、均熱板415上には第2凸部406が4点設けられ、これら第2凸部406が基板ホルダー408をフローティング状に支持している。これにより、均熱板315からの輻射熱により基板載置面408aが面内で略均一に加熱され、基板載置面408aからの輻射熱により半導体基板407を基板面内で略均一に加熱され、その後、成長する化合物半導体薄膜の結晶性および層厚が基板全域にわたり均一化し、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のバラツキを抑えることができる。
That is, as described above, after the thin film is formed, the surface of the
101 501 MOCVD装置
102 502 反応室
103 503 フローチャンネル
105、205、305、405、505 第1凸部
406、506 第2凸部
107、207、307、407、507 半導体基板
108、208、308、408、508 基板ホルダー
109 509 加熱ヒータ
111 511 基板回転機構
115、215、315、415、515 均熱板
117 517 ガス供給口
118 518 ガス排出口
101 501
406, 506 Second
Claims (4)
前記フローチャネルの前記開口部に面するように基板が載置される基板ホルダーと、
前記基板ホルダーの下部に設けられ基板を加熱する加熱ヒータとを備え、
前記基板ホルダーと前記加熱ヒータとの間に均熱板を配し、
前記均熱板は、前記基板ホルダーと対向する面が薄膜形成後の前記基板の反りの形状に合わせて形成されていることを特徴とする気相成長装置。 A raw material gas supply port, a raw material gas exhaust port, and an opening disposed between the raw material gas supply port and the raw material gas exhaust port, and the raw material from the raw material gas supply port toward the raw material gas exhaust port A flow channel for flowing gas;
A substrate holder on which a substrate is placed so as to face the opening of the flow channel;
A heater provided at a lower part of the substrate holder for heating the substrate,
Distributing a soaking plate between the substrate holder and the heater,
The vapor phase growth apparatus characterized in that the soaking plate has a surface facing the substrate holder formed in accordance with the shape of warping of the substrate after the thin film is formed .
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