JP6867637B2 - サセプタ - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置に用いられるサセプタに関する。

従来から、パルスレーザー堆積法(Pulsed laser deposition: PLD)、分子線エピタキシー法(Molecular beam epitaxy: MBE)、スパッタリング法等の非平衡状態を実現できる高真空製膜装置が検討されており、これまでの融液法等では作製不可能であった酸化物半導体の作製が可能となってきている。中でも、霧化された原料溶液（ミスト）を用いて、基板上に結晶成長させるミスト化学気相成長法（Mist Chemical Vapor Deposition: Mist CVD。以下、ミストＣＶＤ法ともいう。）が検討されており、コランダム構造を有する酸化ガリウム（α−Ｇａ_２Ｏ_３）の作製が可能となってきている（非特許文献１）。α−Ｇａ_２Ｏ_３は、バンドギャップの大きな半導体として、高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子への応用が期待されている。

ミスト化学気相成長装置（以下、ミストＣＶＤ装置ともいう。）については、特許文献１には、管状炉型のミストＣＶＤ装置が記載されている。特許文献２には、ファインチャネル型のミストＣＶＤ装置が記載されている。特許文献３には、リニアソース型のミストＣＶＤ装置が記載されている。特許文献４には、管状炉のミストＣＶＤ装置が記載されており、特許文献１記載のミストＣＶＤ装置とは、ミスト発生器内にキャリアガスを導入する点で異なっている。また、特許文献５には、ミスト発生器の上方に基板を設置し、さらにサセプタがホットプレート上に備え付けられた回転ステージであるミストＣＶＤ装置が記載されている。

しかしながら、ミストＣＶＤ法は、他の方法とは異なり、高温にする必要もなく、α−酸化ガリウムのコランダム構造のような準安定相の結晶構造も作製可能である一方、ライデンフロスト効果により、ミスト揮発層で基板表面を覆うことで、ミストの液滴が直接膜に接触することなく結晶成長させる必要があるため、その制御が容易ではなく、均質な結晶膜を得ることが困難であった。また、ミストＣＶＤ法では、ミストの粒子にバラつきがあったり、基板に至るまでに、供給管内でミストが沈んでしまったりする問題もあった。

これら従来の問題に対し、本発明者らは、特許文献６記載の気相化学装置のような構成のミストＣＶＤ装置への適用を試みたが、沈んだり凝集したりするミストが液だれし、ミストの加速が阻害され、異常成長を誘発する等の問題があり、供給管を傾けたり、原料供給に個別の細い供給管を設けたりするなど、従来技術の適用では均質な膜を得ることが困難であった。

特開平１−２５７３３７号公報 特開２００５−３０７２３８号公報 特開２０１２−４６７７２号公報 特許第５３９７７９４号 特開２０１４−６３９７３号公報 特開平２−２９１１１３号公報

金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成２５年３月

本発明は、成膜装置に適用すると成膜に有用であり、均質な膜を得ることができるサセプタを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、基板側表面の外周形状が略半円状であるサセプタを用いて成膜すると、均質な膜が得られることを知見し、このようなサセプタが上記した従来の課題を一挙に解決できるものであることを見出した。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ね、本発明を完成させるに至った。

本発明のサセプタによれば、均質な膜を得ることができる。

本発明に係るサセプタの一例を示す模式図である。 成膜装置の一例を示す模式図である。 供給内に配置されているサセプタの一態様を示す模式図である。（ａ）は、ミストの上流から下流方向に向けて、基板に至るまでの供給管内の断面を見た模式図である。（ｂ）は、ミストの上流を左に、下流を右にしたときの、供給管、基板およびサセプタの断面を見た模式図である。 図３に示されるサセプタのサセプタと基板との総面積と、排出領域の面積との関係を説明する図である。 成膜時における管状炉の内部を模式的に示す図である。 本発明に係るサセプタの一例を示す模式図である。 図６のサセプタの断面を示す模式図である。 本発明に係るサセプタが熱電対を備える場合の好適な例を示す模式図である。 本発明に係るサセプタの一例を示す模式図である。 本発明に係るサセプタの一例を示す模式図である。 実施例で用いたミストＣＶＤ装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明のサセプタについて、図面を用いて説明するが、本発明は、これら図面に限定されるものではない。

前記サセプタは、基板を保持するために成膜装置に用いられるサセプタであって、該基板を保持する基板保持部と、該基板保持部を支持する支持部とが、一体にまたは別体で備えられており、基板側表面の外周形状が略半円状であれば、特に限定されない。

本明細書において、「略半円状」とは、半円状のみならず、半楕円状や、その他放物局面などの半円状に近い各種の曲面を総称するものをいう。

前記サセプタが用いられる成膜装置は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されないが、管状炉を備え、管状炉内の基板を保持するために前記サセプタが用いられる成膜装置であるのが好ましい。また、本発明においては、前記成膜装置が、ミストを用いる成膜装置、すなわち、原料からなるミストをキャリアガスによって基板上に搬送して成膜する成膜装置であるのが好ましい。このような好ましい成膜装置としては、例えば、ミストＣＶＤ装置やミスト・エピタキシー装置等が挙げられる。このような好ましい成膜装置に前記サセプタを用いる場合には、ミストが基板まで加速して、均質な膜を形成することができる。なお、ミスト・エピタキシー装置は、ミストの形で原料を供給し、下地基板の情報を用いて結晶薄膜を成長させる装置であれば特に限定されず、反応を促進させる方法も、特に限定されず、例えば、熱エネルギー、レーザー、プラズマ、ビーム等のいずれの手段で促進されてもよい。

前記サセプタの材料などは、特に限定されないが、本発明においては、石英からなるサセプタであるのが好ましい。

前記基板保持部は、前記基板を保持できれば特に限定されないが、本発明においては、前記基板保持部が、基板に嵌合する凹部であるのが好ましい。

また、前記支持部は、少なくとも前記基板保持部を支持できれば特に限定されないが、本発明においては、前記支持部が、基板を傾斜姿勢で支持するのが好ましい。前記基板の傾斜姿勢は、原料流路の中心軸線に対して傾斜していれば特に限定されないが、前記基板の傾斜角が、５°〜６０°であるのが好ましく、３０°〜５０°であるのがより好ましく、３５°〜４７°であるのが最も好ましい。このような好ましいサセプタを用いることにより、より均質な膜を得ることができる。なお、例えば前記サセプタが管状炉に用いられる場合には、該管状炉の管の中心軸線に対しての基板の傾きを前記傾斜角として用いてもよい。また、前記原料流路における原料の形状も、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、ガス状であっても、ミスト状であっても、微粒子状であっても、液状であっても、その他形状を有していてもよい。

以下、前記サセプタの好ましい態様について、図面を用いて説明するが、本発明はこれら態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の好ましいサセプタの一例を示している。図１のサセプタ１０１は、基板側表面の外周形状が略半円状である略半円状部１０２と、支持部１０４とを備えており、略半円状部１０２内に、基板保持部１０３が設けられている。なお、図１では、基板保持部１０３と、支持部１０４とが、別体で設けられているが、本発明においては、一体で設けられていてもよい。

略半円状部１０２に設けられている基板保持部１０３は、基板を埋め込んで保持できるように、基板に嵌合する凹部となっている。支持部１０４は、基板を傾斜姿勢で支持するように構成されている。このように構成することで、例えば、ミストを用いる管状炉を備えた成膜装置に前記サセプタを用いる場合には、沈降しているミストを加速上昇させることができるように構成することができる。

以下、ミストを用いる管状炉を備えた成膜装置に前記サセプタを用いる場合を例にして、本発明のサセプタをより具体的に説明するが、本発明は、これら例に限定されるものではない。

図２は、前記サセプタを、ミストを用いる管状炉を備えた成膜装置に適用した場合の一例を示す。成膜装置１０は、サセプタ１、超音波振動子２、ミスト発生器３、キャリアガス供給手段４、供給管５および管状炉６を備えている。

図２に示される成膜装置１０は、水槽に超音波振動子２を備えており、超音波振動子２により、ミスト発生器３内の原料溶液が霧化し、ミストが発生するように構成されている。ミスト発生器３で発生したミストは、キャリアガス供給手段４から供給されるキャリアガスによって供給管５内に搬送される。供給管５は管状炉６に挿入されており、供給管５内に、基板とサセプタ１が設置されている。供給管５内に搬送されたミストは、基板上で熱反応して、結晶膜を形成する。

図３は、管状炉内に配置されているサセプタの一態様を示している。図３に示されるサセプタ１０１は、略半円状部１０２および支持部１０４を備えており、さらに、略半円状部１０２には、基板保持部１０３が設けられている。図１に示されるサセプタとは、支持部１０４の形状等が異なっている。支持部１０４は棒状であり、途中で角度を変えて、支持部１０４の供給管１０５との接触角を約９０°にするように構成されている。ただし、支持部を棒状にすることで、サセプタ作製時の加工性に優れているが、必ずしも棒状にする必要は無く、熱設計等に応じて適宜変更できる。棒状以外の形状としては、例えば、半円状、半円くりぬき状、タケノコ状、半円柱状、半球状などが挙げられる。なお、支持部を別体で設けることにより、管状炉内のような不安定なところでも、サセプタ１０１の安定性をより簡便に向上させることができる。

図３（ａ）は、ミストの上流から下流方向に向けて、基板に至るまでの供給管内の断面を示しており、供給管の外周形状の一部が、略半円状である。図３（ｂ）は、ミストの上流を左に、下流を右にしたときの、供給管、基板およびサセプタの断面を示している。サセプタ１０１では、略半円状部１０２が傾斜して設けられており、沈降したミストを加速上昇させて基板１０３に搬送できるように構成されている。
なお、図３では、基板保持部１０３と、支持部１０４とが、別体で設けられているが、本発明においては、一体で設けられていてもよく、また、前記サセプタの一部が、供給管と一体になっていてもよい。

図４は、供給管１０５内において、図３に示されるサセプタおよび基板の領域を基板・サセプタ領域１１１として、未反応のミストを排出する領域を、排出領域１１２として示しており、サセプタと基板との総面積と、排出領域の面積との関係が分かるようになっている。本発明では、図４に示されるように、前記サセプタが占めるサセプタ領域と、前記基板領域と、未反応のミストを排出する排出領域とに分けられる前記供給管または前記成長室内の断面において、前記サセプタ領域と前記基板との総面積が、前記排出領域の面積よりも大きくなるように、サセプタを構成するのが好ましい。このような好ましいサセプタを用いることにより、より良好にミストを加速させることができ、より均質な結晶膜を得ることができる。

図５は、成膜時における管状炉の内部を示す。図５では、図３に示されるサセプタを用いている。図５に示されるように、供給管内に搬送されたミスト１０８ａは、沈降して、不均一で厚いミスト層となっているが、本発明によれば、サセプタの略半円状部１０２によって、ミスト１０８ｂが加速し、均質な結晶膜を得ることができる。また、液だれ１０８ｃによって、ミストの加速が阻害されることもない。

本発明に用いられるサセプタは、本発明の目的を阻害しない限り、種々の形状や形態をとり得るが、図６および図７に示すように、さらに、上部板等を備えていてもよい。上部板１２６は、基板側表面の左右の２か所に設けられた上部支持部１２７によって支えられている。この上部板１２６によって、原料、特にミストの供給量や加速度等を制御することができる。

図８は、本発明に係るサセプタが熱電対を備える場合の好適な例を示す。図８のサセプタは、支持部１３４に熱電対１３５が装入されている。このようなサセプタを用いることにより、基板表面の温度をモニターできるので、温度制御にも優れたものとなる。

なお、前記基板保持部の位置や大きさ等も、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、例えば、図９に示すように、基板を完全に埋め込める形態の基板保持部１０３であってもよいし、図１０に示すように、サイズの大きい基板を保持できる基板保持部１０３であってもよく、基板保持部の形状や大きさについては、基板の形状や大きさに合わせて、適宜、設定することができる。

また、本発明のサセプタは、上記の好ましいサセプタの例に限らず、例えば、前記支持部を吊り掛けるための吊掛部や係止するための係止部などを有していてもよく、本発明の目的を阻害しない限り、種々の形態をとりうる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１１を用いて、本実施例で用いたミストＣＶＤ装置１９を説明する。ミストＣＶＤ装置１９は、基板２０を載置するサセプタ２１と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段２２と、キャリアガス供給手段２２から送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３と、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、内径４０ｍｍの石英管からなる供給管２７と、供給管２７の周辺部に設置されたヒーター２８を備えている。サセプタ２１は、石英からなり、被成膜試料２０を載置する面が水平面から傾斜している。供給管２７とサセプタ２１をどちらも石英で作製することにより、基板２０上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
なお、サセプタ２１として、図３に示されるサセプタを用いて、α−Ｇａ_２Ｏ_３膜を成膜した。成膜条件は以下の通りである。なお、サセプタの傾斜角は４５°とし、供給管内の基板・サセプタの総面積は、図４の通り、サセプタ領域を大きく、排出領域を狭くした。

＜成膜条件＞
臭化ガリウムと酸化ゲルマニウムをガリウムに対するゲルマニウムの原子比が１：０．０５となるように水溶液を調整した。この際、４８％臭化水素酸溶液を体積比で１０％を含有させた。条件１では、酸化ゲルマニウムの濃度は、５．０×１０^−３ｍｏｌ／Ｌとした。
この原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容した。

次に、被成膜試料２０として、２０ｍｍ四方のｃ面サファイア基板を試料台２１上に設置させ、ヒーター２８を作動させて成膜室２７内の温度を５００℃にまで昇温させた。次に、流量調節弁２３を開いてキャリアガス源２２からキャリアガスを成膜室２７内に供給し、成膜室２７の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎに調節した。キャリアガスとしては、酸素ガスを用いた。

次に、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを微粒子化させて、原料微粒子を生成した。
この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室２７内に導入され、成膜室２７内で反応して、被成膜試料２０の成膜面でのＣＶＤ反応によって被成膜試料２０上に膜を形成した。なお、ミストの加速度は１．５１ｍ／ｓ^２であった。

膜の相の同定をした。同定は、ＸＲＤ回折装置を用いて、１５度から９５度の角度で２θ／ωスキャンを行うことによって行った。測定は、ＣｕＫα線を用いて行った。その結果、条件１の原料溶液を用いて形成した膜は、α−Ｇａ_２Ｏ_３であった。

次に各点の膜厚を測定し、中心点の膜厚３４２ｎｍを０として、上下左右の分布を調べた。結果を表１に示す。バラつきの範囲は、４３ｎｍであった。標準偏差は、１４．１２であった。

（比較例１）
非特許文献１記載の管状炉型ミストＣＶＤ装置のサセプタを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてα−Ｇａ_２Ｏ_３膜を成膜した。なお、ミストの加速度は０であった。得られたα−Ｇａ_２Ｏ_３膜につき、各点の膜厚を測定し、その分布を調べた。結果を表２に示す。バラつきの範囲は、１９２ｎｍであった。標準偏差は、７１．１９であった。

（比較例２）
α−Ｇａ_２Ｏ_３の代わりに、ＩＧＺＯを３５０℃の条件で成膜したこと以外は、比較例１と同様にして成膜した。なお、ミストの加速度は０であった。得られたＩＧＺＯ膜につき、各点の膜厚を測定し、その分布を調べた。結果を表３に示す。バラつきの範囲は、１１０ｎｍであった。標準偏差は、４２．２８であった。

（比較例３）
α−Ｇａ_２Ｏ_３の代わりに、ＺｎＯを２５０℃の条件で成膜したこと以外は、比較例１と同様にして成膜した。なお、ミストの加速度は０であった。得られたＺｎＯ膜につき、各点の膜厚を測定し、その分布を調べた。結果を表４に示す。バラつきの範囲は、４４０ｎｍであった。標準偏差は、１２９．４５であった。

本発明のサセプタは、様々な成膜装置に用いることができるが、特に、管状炉を備えた、ミストを用いる成膜装置に有用である。

１ サセプタ
２ 超音波振動子
３ ミスト発生器
４ キャリアガス供給手段
５ 供給管
６ 管状炉
１０ 成膜装置
１９ ミストＣＶＤ装置
２０ 基板
２１ サセプタ
２２ キャリアガス供給手段
２３ 流量調節弁
２４ ミスト発生源
２４ａ 原料溶液
２５ 容器
２５ａ 水
２６ 超音波振動子
２７ 成膜室
２８ ヒーター
１０１ サセプタ
１０２ 略半円状部
１０３ 基板保持部
１０４ 支持部
１０５ 供給管
１０７ ヒーター
１０８ａ ミスト（沈降）
１０８ｂ ミスト（加速）
１０８ｃ 液だれ
１０９ 基板
１１１ 基板・サセプタ領域
１１２ 排出領域
１２１ サセプタ
１２２ 略半円状部
１２３ 基板保持部
１２４ 支持部
１２５ 供給管
１２６ 上部板
１２７ 上部支持部
１３４ 支持部
１３５ 熱電対

Claims (6)

1. 基板を保持するために成膜装置に用いられるサセプタであって、
   該基板を保持する基板保持部と、該基板保持部を支持する支持部とが、一体にまたは別体で備えられており、基板側表面の外周形状が略半円状であり、前記成膜装置が、ミストを用いており、さらに、前記成膜装置が、管状炉を備えており、前記サセプタが該管状炉内の前記基板を保持するために用いられるものであり、且つ、前記支持部が前記基板を傾斜姿勢で支持し、前記サセプタが、前記ミストを前記基板まで加速上昇させることができるように構成されていることを特徴とするサセプタ。
2. 前記サセプタの略半円が、上端に弦を有し、円弧の下端の少なくとも一部が前記管状炉に接している請求項１記載のサセプタ。
3. 前記基板保持部が、基板に嵌合する凹部である請求項１または２に記載のサセプタ。
4. 前記サセプタが占めるサセプタ領域と前記基板領域との総面積が、ミストを排出する排出領域の面積よりも大きい請求項１〜３のいずれかに記載のサセプタ。
5. 前記基板の傾斜角が５°〜６０°である請求項１〜４のいずれかに記載のサセプタ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のサセプタの成膜装置への使用。

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