JPH0521359A - 気相成長装置ならびにその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被成膜基板が周面に取り付けられる筒状または
バレル状のサセプタを加熱し、このサセプタとこのサセ
プタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入し
て前記被成膜基板上に膜形成を行う気相成長装置とし
て、基板への膜形成に先立つ基板表面の気相エッチング
に必要な１０００℃以上に基板温度をあげることがで
き、かつ膜形成時にはサセプタを周面の温度分布が均一
となるように加熱することのできる装置を得る。 【構成】サセプタを加熱する加熱手段を、加熱原理の異
なる高周波誘導加熱コイルと赤外線加熱ランプとで構成
し、気相エッチング時には高周波誘導加熱コイルのみ、
もくしは高周波誘導加熱コイルと赤外線加熱ランプとで
加熱し、膜形成時には赤外線加熱ランプのみで加熱する
運転方法とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主に化合物半導体膜
を基板上に成長させる有機金属気相成長装置を対象とし
たものであり、被成膜基板が周面に取り付けられる筒状
またはバレル状のサセプタを加熱し、このサセプタとこ
のサセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを
導入して前記被成膜基板上に膜形成を行う気相成長装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３にこの種の有機金属気相成長装置の
従来の構成例を示す。被成膜基板 (以下基板と記す) １
はバレル状のサセプタ２に取り付けられている。サセプ
タ２は、たとえば石英ガラスで作られ回転軸７と一体化
されたドーム状のサポート15により回転軸７と同軸に支
えられている。サセプタ２の内側には透明な石英ガラス
からなる内部容器４が、また外側には石英ガラスからな
る外部容器３が回転軸７と同軸に配置されている。内部
容器４の内側には複数の直管型赤外線加熱ランプ８がサ
セプタ２と同軸に、かつサセプタ２の周面と略平行にな
るように配列され、サセプタ２を内部容器４を透過して
輻射加熱する。赤外線加熱ランプ８への加熱電流の供給
は、ベース板10を気密に貫通する壁貫きブッシング９を
介して行われる。なお、図中の符号13は二重円錐台状に
形成され内部を冷却水が通る冷却コーンであり、表面に
金めっきが施されて赤外線加熱ランプ８からの熱をサセ
プタ２の内周面へ向けて反射する。また、ここには詳細
を図示していないが、冷却コーン13と内部容器４との間
には、ベース板10を貫通してＨ₂ ガス等からなるスイー
プガスが導入され、回転軸７と内部容器４との隙間を通
してサセプタ２の下流側へ流出させ、膜形成のために外
部容器３頂部のガス入口６から導入され高温に加熱され
たサセプタ２により加熱分解されて基板１を層流状態で
通過する際に基板１表面に堆積して膜形成を行った後の
反応ガスがサセプタ２の内側へまわり込むのを阻止して
内部容器４, 赤外線加熱ランプ８, 冷却コーン13の表面
汚損を防止する。なお、複数の基板に膜厚, 膜質の均一
な膜形成を行うため、サセプタ２は回転軸７により回転
される。符号14はこの回転軸７を回転自在に支承する気
密軸受けである。また、符号17は回転軸７を回転駆動す
る駆動モータ、16は駆動モータ17の回転力を回転軸７に
伝達する歯付きベルトである。

【０００３】図４にこの種の有機金属気相成長装置の従
来構成の別の例を示す。この例では、サセプタ12はカー
ボン等を用いて中実に形成され、サセプタ12を加熱する
ための高周波誘導加熱コイル11が外部容器３の外側に外
部容器３と同軸に配置されている。膜形成の過程は図３
の例と同じである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の気相
成長装置ではサセプタの内側に赤外線加熱ランプを設置
してサセプタを加熱する方式あるいはサセプタの外側に
高周波加熱コイルを設置して加熱する方式がとられてい
る。この種の気相成長装置、とくに化合物半導体膜を基
板に成長させる有機金属気相成長装置では、反応ガスを
構成する各種原料ガスの流量制御、サセプタ上での層流
状流れの確保とともに、サセプタの加熱性能 (加熱可能
温度、温度分布の均一性) が特に重要である。

【０００５】図３の例のようにサセプタの内側の赤外線
加熱ランプで加熱する方式では、サセプタの各部の加熱
量は赤外線加熱ランプからの輻射熱量により定まるの
で、赤外線加熱ランプの構成, 配置により各部の加熱量
を均一化することにより、高均一の温度分布をもったサ
セプタが得られる。しかしながら、本方式では赤外線加
熱ランプがサセプタの内側の限られた空間に設置されて
いるため、サセプタの単位表面積当たりの加熱量が制限
され、例えばシリコン基板にガリウム砒素等の化合物半
導体膜を成長させる場合のシリコン基板の膜成長前高温
加熱処理 (約１０００℃以上) などの高温加熱はできな
いという問題点があった。この膜成長前の高温加熱処理
は、シリコン基板表面に形成された酸化膜が、シリコン
結晶基板上に結晶膜を成長させる際の障碍となるため、
この酸化膜除去のために行う表面処理であり、シリコン
基板を高温に加熱した状態で還元ガスを基板表面に作用
させて酸化膜を除去する。このときの基板温度は約１０
００℃以上が必要である。

【０００６】また、図４の例のようにサセプタの外側の
高周波誘導コイルで加熱する方式では、加熱量の増大は
容易で上記のような１０００℃以上の加熱も可能であ
る。しかしながら、本方式では誘導される電流によりサ
セプタ各部の加熱量が定まるが、サセプタは基板を取り
付けるために必然的に多面体となっており、円筒状の高
周波誘導コイルとサセプタの表面との距離はサセプタの
平面中央部でもっとも大きく、角部でもっとも近接し、
これに対応してサセプタの発熱量は平面中央部でもっと
も小さく、角部でもっとも大きくなる。このため必然的
にサセプタの周方向に温度差が生じるため温度均一性が
悪く、このため化合物半導体の成長膜の膜厚, 膜質の均
一性が悪いという問題点があった。

【０００７】この発明の目的は、サセプタを、例えばシ
リコン基板の膜成長前高温加熱処理などに必要な１００
０℃以上の高温に加熱することが可能で、かつ特にガリ
ウム砒素等の化合物半導体の成長に用いられる６５０〜
８５０℃において成長膜の膜厚, 膜質の均一性を確保す
るに必要な高均一の温度分布が得られる気相成長装置を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、被成膜基板が周面に取り付け
られる筒状またはバレル状のサセプタを加熱し、このサ
セプタとこのサセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に
反応ガスを導入して前記被成膜基板上に膜形成を行う気
相成長装置において、前記サセプタを加熱する加熱手段
を、サセプタの内側に配された赤外線加熱ランプと、サ
セプタを覆う前記円筒状容器と同軸に配された高周波誘
導加熱コイルとにより構成するものとする。

【０００９】この場合、筒状またはバレル状サセプタ
の，被成膜基板が取り付けられる周方向帯状の領域の両
側または一方の領域に軸方向のスリットを形成するよう
にすればさらに好適である。

【００１０】そして、上記構成による気相成長装置によ
りシリコン基板上に膜形成を行う際の該装置の運転方法
を、膜形成に先立ち、高周波誘導加熱コイルのみもしく
は高周波誘導加熱コイルと赤外線加熱ランプとによりサ
セプタを加熱してシリコン基板の温度を約１０００℃以
上に昇温させるとともにサセプタと円筒状容器との間に
還元ガスを導入してシリコン基板の表面を気相エッチン
グした後還元ガスの導入を停止して高周波誘導加熱コイ
ルによる加熱を断ち、赤外線加熱ランプのみにてサセプ
タをシリコン基板表面の気相エッチング時より低い所定
の温度に加熱して反応ガスを導入することによりシリコ
ン基板上に膜形成を行う運転方法とするものとする。

【００１１】

【作用】このように、サセプタの加熱手段を、サセプタ
の内側に配置された赤外線加熱ランプと、サセプタを覆
う円筒状容器の外側に配置された高周波誘導加熱コイル
とで構成すれば、高周波誘導加熱コイルのみもしくは高
周波誘導加熱コイルと赤外線加熱ランプとを用いてサセ
プタを加熱することにより、基板温度を１０００℃以上
とすることができ、この高温下でサセプタと円筒状容器
との間にＨ₂ 等の還元ガスを導入して基板表面に還元ガ
スを作用させることにより、基板表面に形成された酸化
膜を除去することができる。高周波誘導加熱コイルによ
る加熱では本質的にサセプタの周方向に温度差が生ずる
が、膜成長前高温加熱処理時の温度分布の均一性は膜成
長で要求される温度分布の均一性に比べて大幅に低く、
十分許容できる温度差である。従って高温下での気相エ
ッチングによる酸化膜除去後、還元ガスの導入を停止し
て高周波誘導加熱コイルによる加熱を断ち、つづいて赤
外線加熱ランプのみにより、膜成長に必要な１０００℃
以下の温度 (ガリウム砒素等の化合物半導体膜の場合は
６５０〜８５０℃) にサセプタを加熱することにより、
サセプタの周面に高均一な温度分布が得られ、膜厚, 膜
質の均一な膜を成長させることができる。従って、基板
表面の気相エッチング工程と膜形成工程とを連続した工
程として膜厚, 膜質の均一な膜形成を効率よく行うこと
ができる。

【００１２】なお、膜成長の際には、反応ガスの熱分
解、層流状の流れの確保のためにサセプタは基板部分の
みならずその上流側、下流側と広い範囲にわたり加熱す
る必要があるが、シリコン基板の膜成長前加熱処理の際
には、本質的に基板部分のみ高温となればよく、その上
流側, 下流側は加熱する必要はない。高周波誘導加熱コ
イルでの加熱ではサセプタへの誘導電流により加熱され
るのでサセプタが大型になると大量の電力を投入する必
要があるが、サセプタの一部において高周波誘導加熱コ
イルと同軸となる周方向に誘導電流の回路を遮断するス
リットをもうければ、このスリットを含む円周部分では
誘導加熱が生じないので、不必要な加熱を避けることが
できる。したがって、サセプタ周面の, 被成膜基板が取
り付けられる周方向帯状の領域の両側または一方の領域
にサセプタの壁面を貫通する軸方向のスリットを設ける
ことにより、通常大型となる高周波電源の大幅な小型化
が可能になる。

【００１３】また、上述のように形成された気相成長装
置の運転方法を、膜成長に必要なサセプタの温度が膜成
長前高温加熱処理時の温度 (約１０００℃) よりも低い
ことから、上述の方法とすることにより、膜成長前高温
加熱処理工程と膜成長工程とを連続した工程として、膜
厚, 膜質の均一な膜形成を効率よく行うことができる。

【００１４】

【実施例】図１に本発明による気相成長装置の一実施例
を示す。この実施例において、図３の装置と同一の部材
には同一の符号を付して説明を省略する。この実施例の
装置が図３の装置と異なる所は、外部容器３の外側に該
容器と同軸に高周波誘導加熱コイル11が配置されている
点である。この装置による基板１への膜形成は次のよう
に行われる。なお、ここでは、シリコン基板上にガリウ
ム砒素等の化合物半導体膜を形成する場合につき説明す
る。

【００１５】膜形成に先立ち、駆動モータ17により、歯
付きベルト16, 回転軸７, 回転軸と一体化されたドーム
状のサポート15を介してバレル状サセプタ２を回転させ
つつ、高周波誘導加熱コイル11に図示されない高周波電
源から高周波電流を供給してサセプタ２を１０００℃以
上の高温に加熱した後、外部容器３頂部のガス入口６か
らＨ₂ ガスを導入し、シリコン基板１の表面を通過させ
て基板表面のシリコン酸化物を除去する。しかる後、Ｈ
₂ ガスの導入を停止するとともに高周波誘導加熱コイル
11への高周波電流の供給を断ち、つづいて赤外線加熱ラ
ンプ８に図示されない加熱電源から加熱電流を供給して
サセプタ２を周面均一な温度６５０〜８５０℃に加熱し
た後、ベース板10を貫通してＨ₂ ガス等のスイープガス
を内部容器４と冷却コーン13との間に導入してサセプタ
２の下流側端部から流出させつつ外部容器３頂部のガス
入口６から反応ガスとしてＨ₂ キャリアガスのバブリン
グにより気化されたIII 族元素のアルキル化物とＶ族元
素の水素化物との混合ガスを導入する。サセプタ２の周
面には、図２(a) に示すような溝５が形成され、この溝
に基板１が取り付けられて基板１の表面がサセプタ２の
周面と同一面内にあり、反応ガスが基板表面を層流状態
で通過する。従って、ガス入口６から導入された反応ガ
スは、周面均一に加熱されたサセプタ２により熱分解さ
れ、基板表面を通過する際に熱分解生成物が基板表面に
堆積して、膜厚, 膜質の均一な，III族元素とＶ族元素
とからなる化合物半導体膜を形成する。

【００１６】また、この実施例において、サセプタ２に
は、基板１が取り付けられる周方向帯状の領域Ｗの両側
の領域に軸方向のスリット21および22が形成され、基板
１表面の酸化物除去時の高周波誘導加熱コイル11による
サセプタ２の加熱時には、領域Ｗのみが加熱される。こ
れにより、スリット21および22が形成されない場合と比
較して、基板１の温度を気相エッチングに必要な１００
０℃以上に昇温させるためのサセプタ加熱電力が大幅に
小さくなり、高周波電源の容量を小さくすることができ
る。一方、赤外線加熱ランプ８による加熱は熱輻射によ
り行われるので、スリット21および22の有無にかかわら
ずサセプタ２は全周面が加熱され、スリットの存在は膜
形成には影響を及ぼさない。

【００１７】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明において
は、被成膜基板が周面に取り付けられる筒状またはバレ
ル状のサセプタを加熱し、このサセプタとこのサセプタ
を同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導入して前
記被成膜基板上に膜形成を行う気相成長装置において、
前記サセプタを加熱する加熱手段を、サセプタの内側に
配された赤外線加熱ランプと、サセプタを覆う前記円筒
状容器と同軸に配された高周波誘導加熱コイルとにより
構成したので、基板表面に形成された酸化物除去のため
の気相エッチング時に必要な１０００℃以上の高温加熱
と、膜成長に必要な６５０〜８５０℃程度の加熱とが、
それぞれ加熱原理の異なる加熱手段すなわち高周波誘導
加熱コイルと赤外線加熱ランプとによりそれぞれの特徴
を生かして行われ、基板表面の酸化物除去のための気相
エッチング工程と、酸化物除去後の膜形成工程とを連続
した工程として、膜厚, 膜質の均一な膜形成を効率よく
行うことができる。

【００１８】また、筒状またはバレル状サセプタの，被
成膜基板が取り付けられる周方向帯状の領域の両側また
は一方の領域に軸方向のスリットを形成することによ
り、基板表面の気相エッチング時の高周波誘導加熱コイ
ルによるサセプタの加熱時に、基板の昇温に必要な上記
周方向帯状の領域のみを加熱することができ、スリット
が形成されない場合と比べ、高周波電源の容量を大幅に
小さくすることができ、本発明による気相成長装置を、
加熱手段として高周波誘導加熱コイル, 赤外線加熱ラン
プのいずれか一方のみを備えた気相成長装置と比べ、さ
ほどコスト上昇をもたらすことなく構成することができ
るとともに装置の運転費用が大幅に低減される。

【００１９】そして、上述のように構成される気相成長
装置によりシリコン基板上に膜形成を行う際の該装置の
運転方法を、膜形成に先立ち、高周波誘導加熱コイルの
みもしくは高周波誘導加熱コイルと赤外線加熱ランプと
によりサセプタを加熱してシリコン基板の温度を約１０
００℃以上に昇温させるとともにサセプタと円筒状容器
との間に還元ガスを導入してシリコン基板の表面を気相
エッチングした後還元ガスの導入を停止して高周波誘導
加熱コイルによる加熱を断ち、赤外線加熱ランプのみに
てサセプタをシリコン基板表面の気相エッチング時より
低い所定の温度に加熱して反応ガスを導入することによ
りシリコン基板上に膜形成を行う方法とすることによ
り、基板表面の酸化物除去のための気相エッチングと基
板表面への膜形成とが連続して行われ、かつ膜厚, 膜質
の均一な膜形成が可能な、スループットの高い気相成長
装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による気相成長装置構成の一実施例を示
す装置本体の縦断面図

【図２】本発明による気相成長装置におけるサセプタ構
造の一実施例を示す図であって、同図(a) は正面図、同
図(b) は同図(a) のＡ−Ａ線に沿う横断面図

【図３】従来の気相成長装置の構成例を示す装置本体の
縦断面図

【図４】従来の気相成長装置の図３と異なる別の構成例
を示す装置本体の縦断面図

【符号の説明】

１ 基板（被成膜基板） ２ サセプタ ３ 外部容器（円筒状容器） ４ 内部容器 ６ ガス入口 ８ 赤外線加熱ランプ １１ 高周波誘導加熱コイル １２ サセプタ ２１ スリット ２２ スリット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被成膜基板が周面に取り付けられる筒状ま
   たはバレル状のサセプタを加熱し、このサセプタとこの
   サセプタを同軸に覆う円筒状容器との間に反応ガスを導
   入して前記被成膜基板上に膜形成を行う気相成長装置に
   おいて、前記サセプタを加熱する加熱手段を、サセプタ
   の内側に配された赤外線加熱ランプと、サセプタを覆う
   前記円筒状容器と同軸に配された高周波誘導加熱コイル
   とにより構成することを特徴とする気相成長装置。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の気相成長装置におい
   て、筒状またはバレル状サセプタの，被成膜基板が取り
   付けられる周方向帯状の領域の両側または一方の領域に
   軸方向のスリットを形成したことを特徴とする気相成長
   装置。
3. 【請求項３】請求項第１項または第２項に記載の気相成
   長装置によりシリコン基板上に膜形成を行う際の該装置
   の運転方法であって、膜形成に先立ち、高周波誘導加熱
   コイルのみもしくは高周波誘導加熱コイルと赤外線加熱
   ランプとによりサセプタを加熱してシリコン基板の温度
   を約１０００℃以上に昇温させるとともにサセプタと円
   筒状容器との間に還元ガスを導入してシリコン基板の表
   面を気相エッチングした後還元ガスの導入を停止して高
   周波誘導加熱コイルによる加熱を断ち、赤外線加熱ラン
   プのみにてサセプタをシリコン基板表面の気相エッチン
   グ時より低い所定の温度に加熱して反応ガスを導入する
   ことによりシリコン基板上に膜形成を行うことを特徴と
   する気相成長装置の運転方法。