JPH04127643U - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】基板上の原料ガス流を個別的に制御することに
よって、多数枚の基板の膜厚分布を均一に成長する。 【構成】リアクタ２の上部に原料ガス導入管１が、下部
にガス排気管４が設けられる。リアクタ２の内部にはサ
セプタ６が収納され、垂直に挿入されたサセプタ支持棒
５を軸に、サセプタ面が回転するように収納されてい
る。サセプタ６の上面には複数枚の半導体基板７が載置
される。サセプタ６上の各基板７の近傍に、基板７の周
辺外方側の一部を円弧状に囲んで、径方向外方へ流れる
原料ガスを減速して、流速を均一化する円弧状突起部８
を個別的に設けてある。円弧状突起部８の形状は、円弧
状または三日月状で、断面三角形である。その高さは、
流速の最も速くなる部分で最大となり、原料ガス流速の
低下とともに徐々に低くなり、その両端で高さゼロとす
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、原料ガスをサセプタ上に垂直に吹き付けて基板上にエピタキシャル 成長させる気相成長装置に係り、特に原料ガス速度の均一化を図ったものに関す る。

【０００２】

【従来の技術】

半導体基板にＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのような化合物半導体結晶を成長させる 方法には、ＬＰＥ、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤなどの結晶成長法がある。量産性や結晶 の質に難点のあるＬＰＥやＭＢＥに対して、そのような難点のないＭＯＣＶＤ結 晶成長法が注目されている。この方法は、有機金属を熱分解して化合物半導体結 晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ結晶成長法では大気圧で結晶成長が行な えるため、量産性に優れており、良質の結晶を成長させることができる。一般に は縦型気相成長装置として市販装置化されている。

【０００３】 図３は一般的な縦型ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を示す縦断面図である。ＭＯＣＶ Ｄ結晶成長法で用いる原料は、高純度の有機金属と水素化物のガスであり、キャ リアガスと共に、原料ガス導入管１から反応管（リアクタ）２内に導入され、熱 分解されて誘導加熱されたサセプタ６上の基板７の上に、化合物半導体結晶（例 えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）が成長する。なお、５はサセプタ支持棒である 。

【０００４】 このような縦型ＭＯＣＶＤ装置では、リアクタ２上部から原料ガスを導入して 、サセプタ６に対してほぼ垂直に吹き付けた後、サセプタと平行になるように方 向転換して径方向外方に流すため、サセプタ６の周辺部での原料ガスの流速が速 くなる。このため、サセプタ６の周辺部に位置する基板の一部の膜厚が厚くなり 、この膜厚の不均一が結晶成長層の品質にとって大きな問題となっている。

【０００５】 そこで、従来、図４に示すようにサセプタ６の上端部外周に凸部６ａを設け、 サセプタ６の周辺部での原料ガスの減速を図るようにしたものが提案されている （特開昭６２−１４３４２０号公報）。これによれば、サセプタ６の周辺部の原 料ガスの流速をある程度まで抑えることができ、それなりの改善効果認められる 。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、サセプタ外周に凸部を設けた従来のものでは次のような欠点が あった。

【０００７】 （１）凸部が、サセプタの上端部外周に連続して設けられ、しかも高さが全周 に亘って同じになっているため、エピタキシャル層の均一化を妨げる乱流が発生 する。

【０００８】 （２）凸部は、基板から離れたサセプタの外周端に設けられているため、サセ プタ上の原料ガスの流速を全体的に抑制することはできても、基板上の原料ガス の流速を個別的に抑制することができない。従って、いきおい凸部の高さを高く せざるを得ないが、そうすると乱流が増加し、またサセプタの温度分布の均一化 が図れない。

【０００９】 本考案の目的は、基板上の原料ガス流を個別的に制御することによって、上述 した従来技術の欠点を解消して、複数枚の基板の膜厚分布を均一に成長できる気 相成長装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

本考案は、反応管内に複数枚の結晶成長用基板を載置するサセプタを設け、こ のサセプタの中央に原料ガスをほぼ垂直に吹き付け、サセプタの中央からサセプ タの径方向外方へ流して各基板上にエピタキシャル層を成長させる気相エピタキ シャル成長装置に適用される。

【００１１】 そして、サセプタ上の各基板の近傍に、基板周辺の一部を円弧状に囲んで径方 向外方へ流れる原料ガスを減速する円弧状突起部を個別的に設けるようにしたも のである。

【００１２】

【作用】

円弧状突起部を各基板に対して個別的に設けて、円弧状突起部間を互に不連続 にすると、その高さと長さとを必要最小限の大きさに止めることができるように なり、その結果、突起部による乱流が低減し、サセプタの温度分布の均一化も図 れる。また、円弧状突起部が基板に近接していると、基板上の原料ガス流を直接 的に制御できることとなり、その結果、基板上での流速の均一化が達成でき、基 板上に形成される膜厚分布の均一化が大幅に改善される。

【００１３】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１、図２及び図５〜図９を用いて説明する。

【００１４】 図１は本考案の気相成長装置の実施例を示す縦型ＭＯＣＶＤ結晶成長装置の概 略斜視図、図２は図１の縦断面図である。

【００１５】 本成長装置はパンケーキ型のリアクタ２を有し、その上部に原料ガス導入管１ が、下部にガス排気管４が設けられて、上部より内部に原料ガスを導入し、下部 より排気するようになっている。ＭＯＣＶＤ結晶成長法では、原料として有機金 属（例えばＧａ（ＣＨ₃ ）₃ 、Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、水素化物（例えばＡｓＨ₃ 、ＰＨ₃ ）不純物添加物、キャリアガス（例えばＨ₂ 、Ａｒ）などのガスを用い る。

【００１６】 リアクタ２の内部にはサセプタ６が収納され、底部より垂直に挿入されたサセ プタ支持棒５を軸に、サセプタ面が水平面で回転（公転）自在となるように収納 されている。サセプタ６の上面には、周方向に沿って複数の基板用の円形溝が形 成され、そこに半導体基板７が基板表面とサセプタ面とが面一になるように載置 される。この載置された基板７は公知の手段によって自転可能になっている。

【００１７】 また、リアクタ２の外周に高周波コイル（ＲＦコイル）３が巻回され、これに 高周波電流を通電することにより、サセプタ６を誘導加熱して、基板７を所定温 度に加熱するようになっている。

【００１８】 原料ガス導入管１より導入された原料ガスは熱分解し、サセプタ６に垂直に吹 き付けられた後、強制的に方向転換されてサセプタ面と平行になって径方向外方 に流れ、サセプタ内壁にぶつかってから壁面に沿って降下しガス排気管４より排 気される。この熱分解された原料ガスがサセプタ６上を流れるとき、サセプタ６ 上の基板７に化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）エピタキシャル 結晶が成長する。

【００１９】 ところで、何らの措置を講じないとサセプタ６周辺部での原料ガスの流速が速 くなることは、既述した通りである。そこで、本実施例では図示するように、サ セプタ６上の各基板７の近傍に円弧状突起部８を個別的に設けてある。この円弧 状突起部８は、基板７の周辺外方側の一部を円弧状に囲んで、径方向外方へ流れ る原料ガスを減速して、ガス流速の均一化を図る。この円弧状突起部８により、 基板７のサセプタ６周辺側での原料ガス流速が遅くなり、膜厚の均一な化合物半 導体結晶層が成長する。

【００２０】 円弧状突起部８の形状は、図５または図６に示すように、例えば円弧状ないし 三日月状をしている（図５（Ａ）の１８、図６（Ａ）の２８）。その高さは、原 料ガスの流速を考慮して、流速の最も速くなる部分で最大となり、原料ガス流速 の低下とともに徐々に低くなり、その両端で高さゼロになるようにしてある。図 ５と図６とは共に断面三角形をしており、ガス流の上流側の面は通気抵抗を下げ るためになだらかな斜面を構成している点で共通している（図５（Ｂ）、図６（ Ｂ））。しかし、ガス流の下流側となる面において異なり、図５のものは直角三 角形で垂直に落ちているが、図６のものは略二等辺三角形で上流面と同じなだら かな斜面を構成している。断面が直角三角形よりも二等辺三角形をしている方が 乱流を低減できる（図５（Ｃ）、図６（Ｃ））。なお、斜面を曲面で形成するよ うにしてもよい。

【００２１】 サセプタ６上の円弧状突起部８の取付け位置は、サセプタ６を公転させるか否 かにより異なるが、図８（Ａ）に公転させない場合の基本的な取付け位置を示す 。円弧状突起部８は各基板７の、径方向外方側の外周部に、基板の一部を取り囲 むように取付けられる。このような位置に取付けると、図８（Ｂ）に示すように 、ガス流Ｇはサセプタ６中心から径方向外方に向って真っ直ぐに流れて、円弧状 突起部８は基板７上を流れるガス流の下流側に来る。ガス流の下流側ほど流速が 速くなるため、円弧状突起部８によってその流速は効果的に減速される。基板の 自転及びサセプタの公転に適切に対応させるために、円弧状突起部８は取付け角 度が調整できることが望ましい。なお、図８（Ｂ）では便宜的に基板７の数を減 らしてある。後述する図９（Ｂ）、（Ｃ）も同じである。

【００２２】 上述したように本実施によれば、原料ガスの流速を制御する円弧状突起部は、 基板毎に個別的に取り付けられ、それらは互に不連続であるため、その高さと長 さとを必要最小限の大きさに止めることができ、突起部による乱流を可及的に低 減できる。

【００２３】 また、円弧状突起部が基板に近接しているため、最も重要な基板上の流速制御 が直接的に行なえ、基板上での流速の均一化を図ることができる。これにより、 円弧状突起部の高さを低くすることができ、乱流の低減や、サセプタの温度分布 の均一化も図れる。

【００２４】 さらに、円弧状突起部は、原料ガスの流速を考慮して、流速の最も速くなる部 分で円弧状突起部の高さが最大になり、原料ガス流速の低下とともに、徐々に円 弧状突起部の高さが低くなり、その両端でゼロとなっているため、流速をより均 一化でき、乱流の一層の低減化も図れる。

【００２５】 また、サセプタを公転運動させる場合には、円弧状突起部が不連続であるゆえ に、その角度を調節することによって、公転速度に合せた対応が可能となり流速 をより均一化できる。

【００２６】 さて、上記構成の装置では、サセプタ６上の基板７が回転する自転型と、サセ プタ６も回転する自公転型の２つの操作例が考えられる。

【００２７】 ここでは図９を用いて自公転型の実施例について説明する。例えば、サセプタ ６の回転方向が矢印Ｒｓで、基板７の自転方向が矢印Ｒｗのときには、図９（Ａ ）位置に示すように直径方向に対して、円弧状突起部８の角度を変えることによ り、結晶成長膜厚を均一にすることができる。

【００２８】 この円弧状突起部８の角度については、サセプタ６が速度Ｒｓで公転している 図９（Ｂ）の場合、これを分かりやすくするために、図９（Ｃ）のようにサセプ タ６を止めてガス流が渦をまいて中心から流れているように考えてみよう。ガス 流は中心からサセプタ６上をカーブを描きながら流れている。このため、円弧状 突起部８の高さは流速の大きくなる下流ほど高くなるように、その角度をずらす ことにより、流速をより均一化できる。この場合において、図７に示すように、 サセプタ６が公転する場合の円弧状突起部３８は、流速が速くなるサセプタ外周 側の方を内側よりも高くすると効果的である。

【００２９】 円弧状突起部の角度は作図により求めることができる。ガス流はサセプタの中 心から外周方向へ直進するものとする（図９（Ｂ））。公転するサセプタ上を流 れるガス流が基板の中心から基板の半径ｒだけ流れたとき、そのガス流は、円弧 状突起部の高さの最も高くなる部分を通る。ガス流の基板の中心での流速をｖ、 サセプタの回転速度をＲｓとすると、図１０に示すようになる。ガス流が基板７ の中心から基板７の半径ｒだけ進むのに要する時間はｒ／ｖである。この間に、 サセプタ６の回転する角度θはｒ／ｖ×Ｒｓ＝（ｒ・Ｒｓ）／ｖで表せる。この ようにθが求まるので、図１０のようにして作図から円弧状突起部の角度を求め ることができる。

【００３０】 なお、基板の自転については図９（Ａ）のように、通常、ガス流の流速が速く なるサセプタ外周側でガス流と同じ方向に回転する様な向き（Ｒｗ）に自転させ る。基板の自転と円弧状突起部の角度との関係は理論的に導くのは難しいため、 実験又は経験則により見出す。

【００３１】

【考案の効果】

本考案によれば、基板毎に設けた円弧状突起部により原料ガスの流速を個別的 に制御して基板上での流速を均一化するようにしたので、均一な結晶膜厚分布を 複数枚の基板上に同時に得ることができる。この膜厚の均一化により、各種半導 体素子の性能や歩留りを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の気相成長装置の実施例を示す縦型ＭＯ
ＣＶＤ結晶成長装置の概略斜視図。

【図２】図１の縦断面図。

【図３】一般的な縦型気相成長装置を示す縦断面図。

【図４】従来例の縦型気相成長装置を示す縦断面図。

【図５】本実施例の円弧状突起部の他の変形例を示す説
明図。

【図６】本実施例の円弧状突起部の別な変形例を示す説
明図。

【図７】本実施例の円弧状突起部の変形例を示す説明
図。

【図８】本実施例による円弧状突起部の基本的な取付け
位置と、そのときのガス流の基本的な流れを示すサセプ
タの平面図。

【図９】本実施例による円弧状突起部の応用的な取付け
位置と、そのときのガス流の流れを示すサセプタの平面
図。

【図１０】本実施例の円弧状突起部の取付け角度を作図
から求める説明図。

【符号の説明】

１ 原料ガス導入管 ２ リアクタ（反応管） ３ ＲＦコイル ４ ガス排気管 ５ サセプタ支持棒 ６ サセプタ ７ 基板 ８ 円弧状突起部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】反応管内に複数枚の結晶成長用基板を載置
   するサセプタを設け、このサセプタの中央に原料ガスを
   ほぼ垂直に吹き付け、サセプタの中央からサセプタの径
   方向外方へ流して各基板上にエピタキシャル層を成長さ
   せる気相エピタキシャル成長装置において、サセプタ上
   の各基板の近傍に、基板周辺の一部を円弧状に囲んで径
   方向外方へ流れる原料ガスを減速する円弧状突起部を設
   けたことを特徴とする気相結晶成長装置。