JP5785065B2 - 気相成長装置の抵抗加熱ヒータのパージ方法、気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバー内に設置した基板を、サセプタを介して抵抗加熱ヒータで加熱しながら原料ガスを供給して基板面に薄膜を成長させる気相成長装置に関し、特に窒化ガリウム（「ＧａＮ」と表記する場合あり）等の窒化物系化合物半導体膜を基板に成長させる場合における抵抗加熱ヒータのパージ方法、該パージ方法を適用した気相成長装置に関する。

チャンバー内に設置した基板を加熱しながら原料ガスを供給して基板面に薄膜を成長させる気相成長装置において、基板の加熱手段として温度の均一性を得やすく経済性にも優れるという理由から抵抗加熱ヒータを用いる場合が多い。
このような気相成長装置において、窒化ガリウムや窒化アルミニウム等の窒化物系化合物半導体膜を形成する場合、アンモニア等の腐食性を有する原料ガスを使用するため、抵抗加熱ヒータが原料ガスによって腐食されるのを防止する手段を講じる必要がある。このような抵抗加熱ヒータの腐食防止手段として、例えば抵抗加熱ヒータが設置されている空間を窒素などの不活性ガスによってパージすることが行われている（特許文献１参照）。

また、窒化ガリウムや窒化アルミニウム等の窒化物系化合物半導体膜を形成する場合、基板温度を約１０００℃以上の高温にする必要がある。抵抗加熱ヒータは、サセプタを介して基板を加熱することになるため、基板温度を１０００℃以上にするためには、抵抗加熱ヒータの温度は約１４００℃にする必要がある。
そのため、抵抗加熱ヒータに使用する材質の点からはアンモニアに対する耐腐食性を有し、かつ１４００℃という高温でも使用可能であることが要求される。
このような抵抗加熱ヒータとしては、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）や炭化珪素（ＳｉＣ）をグラファイトに積層コーティングしたものが知られている（特許文献２参照）。

特開２００９−１９４０４５号公報 特開２００９−１４１１５８号公報

上記のようにアンモニアに対する耐腐食性を有し、高温でも使用可能な抵抗加熱ヒータとしては、ＰＢＮやＳｉＣをグラファイトに積層コーティングしたものが使用可能である。
しかしながら、ＰＢＮを用いた場合、プロセス条件によってはホウ素（Ｂ）が薄膜に取り込まれ、それが不純物として薄膜の性能を害することがあるため、抵抗加熱ヒータの材質としてホウ素（Ｂ）を含まないものが望まれる。

そのため、従来知られている材質としては、ＳｉＣが望ましいことになる。
しかしながら、ＳｉＣ材を抵抗加熱ヒータとして使用する場合、１２００℃以上で水素と反応し、ケイ素の水素化物を発生し、さらに、１４００℃以上では窒素と反応してケイ素の窒化物を生成する。
そのため、高温下でキャリヤガスとして水素や窒素さらに原料ガスとしてアンモニアのような腐食性ガスを用いて気相成長を行う場合には、抵抗加熱ヒータとしてＳｉＣをコーティングしたものや、ＳｉＣ材によって形成された抵抗加熱ヒータ（ＳｉＣヒータ）を用いることができなかった。
この場合、抵抗加熱ヒータをキャリヤガスから保護するために、抵抗加熱ヒータが設置される空間にパージガスを流すことが考えられるが、パージガスとして従来用いられている窒素を用いると、ＳｉＣがパージガス自体と反応してＳｉＣヒータの窒化が起こる。
ＳｉＣヒータの窒化が起こると、窒化した部分の輻射率が変化してし、基板の温度分布が一様でなくなり、気相成長の再現性などに悪影響を与えるという問題がある。
また、ＳｉＣヒータの窒化が更に進行すると、該進行に伴ってＳｉＣヒータが徐々にやせ細り、最終的には断線してしまうというという問題がある。

本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、抵抗加熱ヒータにＳｉＣヒータを用いてＧａＮ薄膜を気相成長させる気相成長装置において、ＳｉＣヒータが窒化しない抵抗加熱ヒータのパージ方法、該パージ方法を適用した気相成長装置を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る気相成長装置における抵抗加熱ヒータのパージ方法は、基板の加熱手段としてＳｉＣ材からなる抵抗加熱ヒータを用い、該抵抗加熱ヒータによって前記基板の温度を１０００℃以上に加熱して前記基板に窒化物系化合物半導体膜を形成する気相成長装置における前記抵抗加熱ヒータのパージ方法であって、
前記抵抗加熱ヒータの温度を１４００℃以上にすると共に、前記抵抗加熱ヒータ周辺をパージするパージガスとして、アルゴン、キセノン、またはこれらの混合ガスのいずれかを用いることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記パージガスとしてキセノンを用いることを特徴とするものである。

（３）本発明に係る気相成長装置は、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部に回転可能に設けられて基板を保持する複数の円盤状の基板保持部材と、該基板保持部材の外周に設けられた外歯車に歯合する内歯車を備えた固定歯車部材と、前記チャンバーのサセプタ表面側に設けられて窒化物系化合物半導体製造用の原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーのサセプタ裏面側に設けられてアルゴン、キセノン、またはこれらの混合ガスのいずれかをパージガスとして導入するパージガス導入部と、前記チャンバーにおける原料ガス導入部及びパージガス導入部の反対側にそれぞれ設けられた排気部と、前記チャンバーにおけるサセプタ裏面側に設けられて前記基板保持部材に保持された基板を１０００℃以上に加熱するために１４００℃以上に発熱するＳｉＣ材からなる抵抗加熱ヒータとを備えたことを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記パージガスとしてキセノンを用いることを特徴とするものである。

本発明においては、ＳｉＣ材からなる抵抗加熱ヒータの温度を１４００℃以上にすると共に、抵抗加熱ヒータ周辺をパージするパージガスとして、アルゴン、キセノン、またはこれらの混合ガスのいずれかを用いるようにしたので、
１４００℃以上という高温であっても、キャリヤガスや原料ガスによってＳｉＣヒータが窒化することがなく、またパージガス自体による窒化が生ずることもない。その結果、ＳｉＣヒータの窒化による輻射率の変化などの問題が生ずることがなく、組成均一性、膜厚均一性、温度再現性が向上し、高品質のＧａＮ薄膜を得ることができる。
また、ＳｉＣヒータの窒化が防止されるので、ＳｉＣヒータの劣化が抑制され、ヒータ交換周期を延ばすことができる。

本発明の実施の形態における気相成長装置における要部の断面図である。

本発明の実施の形態にかかる気相成長装置１について、図１に基づいて説明する。
気相成長装置１は、偏平円筒状のチャンバー３内に円盤状のサセプタ５を回転可能に設けるとともに、該サセプタ５の外周部に複数の基板保持部材７を回転可能に設けた自公転型気相成長装置であって、サセプタ５は、チャンバー３の底面部分を貫通した回転軸９により支持されている。チャンバー３の下部にはＳｉＣヒータ１１や温度計１３がそれぞれ設けられ、ＳｉＣヒータ１１の周囲にはリフレクター１５が設けられている。また、チャンバー３のサセプタ５表面側中央部には、原料ガス導入部１７が設けられ、外周部には排気部１９が設けられるとともに、回転軸９の周囲にはパージガス導入部２１が設けられ、リフレクター１５の外周には排気部１９に連通するパージガス導出部２３が設けられている。

上述の気相成長装置１で基板２５の上面にＧａＮ薄膜を気相成長させる際に、回転軸９を所定速度で回転させてサセプタ５を回転させると、このサセプタ５の回転と連動して基板保持部材７が自転し、これによって基板２５が自公転する状態となる。

一方、ＳｉＣヒータ１１を作動させてサセプタ５及び基板保持部材７を介して基板２５を所定温度、例えば１１００℃に加熱した状態で、原料ガス導入部１７から所定の原料ガス、例えばトリメチルガリウムとアンモニアとをチャンバー３内のサセプタ５上面側に導入し、外周の排気部１９から排出することにより、複数の基板２５の上面に所定のＧａＮ薄膜を均一に堆積させることができる。

これと同時に、パージガス導入部２１から所定の希ガス、例えばアルゴンをサセプタ５の下方の空間部Ｅに導入して排気部１９から排出することにより空間部Ｅをパージする。
パージガスとしてアルゴンを用いているので、キャリヤガスや原料ガスによってＳｉＣヒータ１１が窒化することがなく、またパージガス自体によって窒化することがない。
その結果、ＳｉＣヒータ１１の窒化による輻射率の変化などの問題が生ずることがなく、組成均一性、膜厚均一性、温度再現性が向上し、高品質のＧａＮ薄膜を得ることができる。
また、ＳｉＣヒータ１１の窒化の進行を抑制されるため、ＳｉＣヒータ１１の部品交換周期を延ばすことができる。

なお、上記の例では、希ガスとしてアルゴンを用いた例を示したが、希ガスの他の例としてキセノンを用いることもでき、またアルゴンとキセノンを混合して用いてもよい。
パージガスとしてキセノンを使用する場合、下記の実施例２において実証されるように、アルゴンを使用する場合よりもガス流量を低減することができ、ヒータ発熱量を低減できヒータ寿命を長期化できると共にコスト低減もできるのでより好ましい。

また、上記の実施の形態では、原料ガスを上部より供給すると共に基板をサセプタの回転軸に対して公転させる自公転型気相成長装置について説明したが、気相成長装置の形態はこれに限定されるものではなく、例えば基板を自転のみさせる自転型の気相成長装置、原料ガスを下部あるいは横方向から供給する気相成長装置であっても適用できる。

本実施の形態の効果を確認するための実験を行ったので、その結果を以下に記載する。
実験は、サファイア基板２５上にＧａＮ系ＬＥＤ用のＧａＮ薄膜を生成させる気相成長処理を、複数のパージガスを用いてそれぞれ複数回行い、各パージガスがＳｉＣヒータ１１の窒化の進行度合いに与える影響を比較するものである。
ＳｉＣヒータ１１の窒化が進行すると、その進行に伴ってＳｉＣヒータ１１表面がまず白色に変色した後、黄白色の窒化物が堆積される。この変色及び堆積物の析出度合いを観察することで、ＳｉＣヒータ１１の窒化の進行度合いを確認することができる。
パージガスには、窒素、キセノン、アルゴンをそれぞれ使用した。また、原料ガスにはアンモニアを用いた。チャンバー３内の圧力は大気圧とし、ＳｉＣヒータ１１表面の温度は１４００℃とした。

パージガスとして窒素（流量：３０ＳＬＭ）を用いた場合、気相成長処理回数１０回目でＳｉＣヒータ１１表面の変色が観察され、気相成長処理回数３００回程度でヒータ表面に窒化物が形成し始めその後、断線に至った。
他方、アルゴン及びキセノンを用いて同流量・同回数で気相成長処理を行ったが、変色は観察されず、気相成長処理回数１０００回以上でも断線しなかった。

以上のように、パージガスに窒素を用いた場合、パージガス自体によってＳｉＣヒータ１１の窒化が進行してしまうが、パージガスに希ガスを用いることでこの問題を解消することができる。

パージガスは、腐食性を有する原料ガス等からＳｉＣヒータ１１を保護しているが、同時にヒータ周辺を冷却してしまう。そのため、基板２５の温度を所定の温度に保つためには、この冷却を考慮してＳｉＣヒータ１１の発熱量を高める必要がある。ＳｉＣヒータ１１の発熱量を高めると、ＳｉＣヒータ１１の窒化が進行しやすくなり、ＳｉＣヒータ１１の寿命が短くなることになる。
また、アルゴンやキセノンは希少ガスで高価であるため、これらをパージガスとして使用する場合、使用量は少ない方が経済的に好ましい。
以上の理由から、パージガスにアルゴンやキセノンを使用する場合はパージガス流量が少ない方が好ましい。

そこで、パージガスにアルゴンまたはキセノンを用いた場合において、パージガス流量を少なくしてパージ効果が得られるかどうかを確認するため、パージガス流量を実施例１の場合の半分の量（１５ＳＬＭ）にして、実施例１と同様の実験を行った。
実験の結果、アルゴンを用いた場合、気相成長処理回数３０回目で変色が確認された。これはパージガスの流量を半分の量にしたため、原料ガスがＳｉＣヒータ１１が設置されている空間部Ｅに侵入し、原料ガスに使用したアンモニアによってＳｉＣヒータ１１が窒化したことが原因であると思われる。
一方、キセノンを用いた場合、気相成長処理回数５０回を超えても変色が見られなかった。したがって、キセノンを用いる場合のパージガス流量は、窒素を用いる場合のパージガス流量の半分の流量（１５ＳＬＭ）で足りることが実証された。

アルゴンとキセノンに生じた上記の差は、アルゴンとキセノンのアンモニアに対する拡散係数（２成分系気体の拡散係数）及び分子量の違いによるものと考えられる。例えば大気圧、１４００℃において、アンモニア対アルゴンの拡散係数は０．９３２であり、アンモニア対キセノンの拡散係数は０．５８２と計算される。つまり、アルゴンよりもキセノンの方がアンモニアに対して拡散しにくいこと、対流という観点からもアルゴンよりもキセノンの方が分子量が大きいことから、キセノンを用いた方が、ＳｉＣヒータ１１に対するパージ効果が高く、ＳｉＣヒータ１１の窒化を抑えることができたと考えられる。

以上のように、パージガスに希ガスを用いる場合、原料ガスに対する拡散係数が小さい希ガスを用いることで、パージガスの流量を抑えることができ、ＳｉＣヒータ１１の窒化の進行を抑制すると共にコスト低減が可能になる。

Ｅ 空間部
１ 気相成長装置
３ チャンバー
５ サセプタ
７ 基板保持部材
９ 回転軸
１１ ＳｉＣヒータ
１３ 温度計
１５ リフレクター
１７ 原料ガス導入部
１９ 排気部
２１ パージガス導入部
２３ パージガス導出部
２５ 基板

Claims (4)

1. 基板の加熱手段としてＳｉＣ材からなる抵抗加熱ヒータを用い、該抵抗加熱ヒータによって前記基板の温度を１０００℃以上に加熱して前記基板に窒化物系化合物半導体膜を形成する気相成長装置における前記抵抗加熱ヒータのパージ方法であって、
   前記抵抗加熱ヒータの温度を１４００℃以上にすると共に、前記抵抗加熱ヒータ周辺をパージするパージガスとして、アルゴン、キセノン、またはこれらの混合ガスのいずれかを用いることを特徴とする気相成長装置における抵抗加熱ヒータのパージ方法。
2. 前記パージガスとしてキセノンを用いることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置における抵抗加熱ヒータのパージ方法。
3. チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部に回転可能に設けられて基板を保持する複数の円盤状の基板保持部材と、該基板保持部材の外周に設けられた外歯車に歯合する内歯車を備えた固定歯車部材と、前記チャンバーのサセプタ表面側に設けられて窒化物系化合物半導体製造用の原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーのサセプタ裏面側に設けられてアルゴン、キセノン、またはこれらの混合ガスのいずれかをパージガスとして導入するパージガス導入部と、前記チャンバーにおける原料ガス導入部及びパージガス導入部の反対側にそれぞれ設けられた排気部と、前記チャンバーにおけるサセプタ裏面側に設けられて前記基板保持部材に保持された基板を１０００℃以上に加熱するために１４００℃以上に発熱するＳｉＣ材からなる抵抗加熱ヒータとを備えたことを特徴とする気相成長装置。
4. 前記パージガスとしてキセノンを用いることを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
   

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