JPH0620955A - 化合物半導体の気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】化合物半導体の気相成長装置において、反応管
外殻の水冷室を原料ガスの流れ方向に４分割以上する。
そして両端を除いた水冷室に接する内殻で成膜を行い、
成膜の間に反応部を取り巻く水冷室の冷却水を抜き、反
応管の反応部周辺を加熱することにより内殻の壁面に付
着した付着物を除去する。さらに反応部を移動させ上記
操作を繰り返す。 【効果】反応管交換サイクルが長くなるため、装置の高
効率使用、危険作業の低減、また反応管取付直後の成膜
の不安定性を減らすことが可能で、高品質、高歩留りで
半導体基板の供給が出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体の気相成長
装置および気相成長方法に関し、特に横型反応炉を有す
る化合物半導体の有機金属気相成長装置および気相成長
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体は半導体レーザ素子、ＨＥＭＴなどの材料として用い
られる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成
長方法には液相エピタキシャル成長法、気相エピタキシ
ャル成長法、分子線エピタキシャル成長法があるが、こ
の中で気相エピタキシャル成長法である有機金属気相成
長法は均一性の良い膜の成長が可能であり、また薄膜制
御が可能であると言った特徴を有し、量産向きの成長方
法であるといえる。

【０００３】有機金属気相成長装置のうち一つのとして
横型装置がある。図３は従来の横型気相成長装置の構成
概略断面図を示したものである。例えばＧａＡｓの成長
についてはＶ族の原料としてトリメチルガリウム、Ｖ族
の原料としてＡｓＨ₃ガスを用いる。これらの原料はＨ₂
などのキャリアガスで希釈され、ガス導入管７から反応
部へ輸送される。基板１３の加熱方式としてＲＦコイル
６による高周波誘導加熱方式が取られる。この方式を取
る理由は、構成が簡単であり、気相成長に必要な８００
℃程度の温度が比較的簡単に得られ、また反応部内にヒ
ーターなどの異物を装着する必要が無いため、汚染の心
配が無いからである。このため反応部は石英などのガラ
ス反応管１で構成される。ガラス反応管１は二重管とな
っており内殻２と外殻３から構成される。外殻３には例
えば冷却水入口４と冷却水出口５があり、内殻２の壁面
を冷却する。このように内殻２の外壁を冷却するコール
ドウォールにする理由は外壁の加熱による汚染物質の発
生を防ぐためである。基板ホルダー１２はＲＦコイル６
の作る円内に配置され高周波誘導加熱により加熱され、
基板１３付近に輸送された原料は熱分解反応によりＧａ
Ａｓが生成され基板１３にエピタキシャル成長される。
反応部のガス圧力は常圧または減圧状態で行われ、真空
ポンプ１４によりガスは排気される。また試料交換室、
搬送室を有するチャンバー９、ガス導入部はステンレス
鋼などの金属で作製され、ガラス製反応管１とはＯリン
グ９、１０を介してシールされ、外気と遮断されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】横型気相成長装置は膜
厚、膜質の面内均一性が良い利点を持つが、問題は内殻
壁面からのゴミの落下によるパーティクルの発生が避け
られないことである。特に前述したコールドウォールの
場合、熱分解された原料の内殻壁面への再付着が激し
い。このため、成長方法にもよるが、約２０回の成膜回
数で、ガラス製反応管を取り外し、洗浄する必要があ
る。この作業は時間的ロスも大きく、また原料に毒性が
あるため作業者に取って危険が大きい。

【０００５】さらに反応管交換に際し、反応部が一度大
気にさらされるため、交換直後では残留酸素、残留水分
がかなり存在する。このため真空ベークアウトなどの方
法により残留酸素、残留水分除去を行うが、成膜可能な
レベルに達するまで数〜数十時間を要する。また成膜開
始後も５回程度の成膜回数以後でないと膜質が安定しな
い。これは内殻壁面に付着物がある程度付着しないと内
殻壁面からの不純物の影響が膜質に反映するからであ
る。

【０００６】このように、反応管を洗浄するための作業
を一回行うと時間的ロスが大きく、生産性が著しく低下
し、作業者への危険度も高まる。

【０００７】そこで、本発明は従来のこのような問題点
を解決し、生産性を損なう事なく、作業者への危険度の
高い反応管交換作業を減らすことのできる化合物半導体
の気相成長装置、並びに気相成長方法を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上のような問題点を解
決するため、本発明の化合物半導体の気相成長装置及び
気相成長方法は次に示す特徴を有する。横型でかつガラ
ス製二重管を有し、該ガラス製二重管の外殻には冷却水
を流し該ガラス製二重管の内殻の壁面を冷却する化合物
半導体の気相成長装置において、該ガラス製二重管の外
殻は横方向に４分割以上してなることを特徴とする。

【０００９】さらに化合物半導体の気相成長方法におい
て、ｍ分割（ｍは４以上の自然数）された該ガラス製二
重管の外殻を、原料供給側から外殻第１室、外殻第２
室、外殻第３室、・・・、外殻第ｍ室とし、（１）外殻
第ｎ室（ｎは２以上ｍ−１以下の自然数）に接する内殻
に基板を位置させ、該外殻第１室、外殻第２室、外殻第
３室、・・・、外殻第ｍ室のｍ室全てに冷却水を流し、
気相成長を任意回数行い、（２）該外殻ｎ室の以外の外
殻を水冷し、該外殻ｎ室に接する内殻壁面を加熱し、
（３）前記（１）、（２）工程をを任意回数繰り返した
後、外殻第ｎ−１室に接する内殻に基板を位置させ、該
外殻第１室、外殻第２室、外殻第３室、・・・、外殻第
ｍ室のｍ室全てに冷却水を流し、気相成長を任意回数行
い、（４）該外殻ｎ−１室の以外の外殻を水冷し、該外
殻ｎ−１室に接する内殻壁面を加熱し、（５）前記
（１）から（４）の工程をｎ＝ｍ−１からｎ＝２まで繰
り返す、工程を含むことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【００１１】図１（ａ）、図１（ｂ）は本発明の化合物
半導体の気相成長装置の構成概略断面図および気相成長
方法を示したものである。

【００１２】気相成長のための原料は、例えばＧａＡｓ
の成長についてはＶ族の原料としてトリメチルガリウ
ム、Ｖ族の原料としてＡｓＨ₃ガスを用いる。これらの
原料はＨ₂などのキャリアガスで希釈され、ガス導入管
７から反応部へ輸送される。基板１３付近に輸送された
原料は８００℃程度に加熱され、熱分解反応によりＧａ
Ａｓが生成され基板１３にエピタキシャル成長される。
基板１３の加熱方式としてＲＦコイル６による高周波誘
導加熱方式が取られる。この方式を取る理由は、構成が
簡単であり、気相成長に必要な８００℃程度の温度が比
較的簡単に得られ、また反応部内にヒーターなどの異物
を装着する必要が無いため、汚染の心配が無いからであ
る。このため反応部は石英などのガラス反応管１で構成
される。ガラス反応管１は二重管となっており内殻２と
外殻から構成される。外殻は内殻２の壁面を冷却するも
のであるが、これは内殻外壁の加熱による汚染物質の発
生を防ぐためである。基板１３は基板ホルダー１２上に
置かれ、基板ホルダー１２は高純度のカーボングラファ
イトなどが用いられる。また反応部のガス圧力は常圧ま
たは減圧状態で行われ、真空ポンプ１４により残ガスは
排気される。

【００１３】横型気相成長装置の問題点は前述のように
壁面に付着するゴミの落下によるパーティクルの発生で
ある。そしてこのために反応管１を取り外し洗浄する作
業は生産性を低下させ、危険度が大きい。反応管１を取
り外さずに壁面のゴミを除去できれば、生産性の低下を
防ぐことが出来る。このための解決策は、反応管１の内
殻２の外壁を加熱し、付着物を再分解させればよい。具
体的には反応管の外殻の冷却水を抜き、高周波誘導加熱
を行えばよいが、この時問題となるのが、反応管１とチ
ャンバー９、ガス導入部のフランジ８とのシール部１
０、１１が加熱されてしまうことである。シール１０、
１１にはＯリングが用いられる。反応管が石英ガラスの
場合、熱伝導率は約２Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1でさほど大きくな
いが、高温、長時間の加熱を行えば、Ｏリングが変質し
てしまう温度に十分達し、シールが破損してしまう。チ
ャンバー９、フランジ８側で冷却を行う方法もあるが、
この場合、シール付近での急激な熱変化による熱ストレ
スが発生し、ガラス反応管１が損傷、破壊する事故が起
る。

【００１４】本発明の気相成長装置はガラス反応管１の
外殻が原料ガスの流れの方向に沿って４室（図中３ａ、
３ｂ、３ｃ、３ｄ）に分割されて、まず図１（ａ）に示
すように外殻３ｃに接する内殻に基板ホルダー１２、ま
た外周にはＲＦコイル６が配置される。そして、それぞ
れの部屋３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄには冷却水の流入口４
ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、冷却水流出口５ａ、５ｂ、５
ｃ、５ｄが設けられており、各部屋独立に冷却の有無を
コントロールできる構造となっている。

【００１５】そして、ガラス反応管１の内殻２に付着す
る付着物の除去を以下の２つの理由からガラス反応管１
の外殻３ｃに接する内殻の壁面の加熱により行う。

【００１６】一つはガラス反応管の加熱による熱分布を
ガラス反応管内に持たせ、シール部における熱分布をな
くすこと。

【００１７】もう一つは基板１３へ影響をおよぼすパー
ティクルは殆ど全てが基板ホルダー１２直上に付着する
ゴミに起因するものであり、それより上流側（３ａ、３
ｂ付近）は熱分解が起らない領域のため付着物はほとん
どなく、下流側（３ｄ側付近）は、層流が形成されてい
れば、付着物の落下があってもより下流側に落下するだ
けで基板１３には影響はない。

【００１８】そこで気相成長の方法のシーケンスを以下
のようにする。

【００１９】（１）通常の気相成長ではガラス反応管１
の外殻三室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ全てに冷却水を流
す。これは気相成長の膜厚、膜質の均一性に必要な層流
状態を得るためには可能な限り壁面の温度分布を少なく
することが必要であるからである。

【００２０】この方法で気相成長を任意回数行う。

【００２１】（２）そして、気相成長の間に外殻三室の
うち３ａ、３ｂ、３ｄには冷却水を流し、３ｃ内の冷却
水は抜いておく。この状態で高周波誘導加熱を行う。こ
れにより３ｃに接する内殻の壁面は加熱され、付着物は
再分解し壁面から分離する。一方、３ａ、３ｂ、３ｄは
冷却しているため、この加熱によりシール部１０、１１
に熱的悪影響を及ぼすことはない。

【００２２】以上（１）、（２）を繰り返せば、ガラス
反応管１を取り外す事なく、内殻２の付着物を除去で
き、気相成長を繰り返すことが出来る。

【００２３】しかしながら、（２）において付着物は完
全に除去出来るわけでなく気相成長を繰り返すうちに内
殻壁面の付着物が増えていき、基板上に落下するように
なる。

【００２４】そこで次の操作として図１（ｂ）に示すよ
うに、 （３）外殻３ｂに接する内殻に基板ホルダー１２、また
外周にはＲＦコイル６を配置する。

【００２５】（４）そして、気相成長ではガラス反応管
１の外殻三室３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ全てに冷却水を流
し、基板１３を高周波誘導加熱により加熱し気相成長を
行う。 （５）気相成長の間に外殻三室のうち３ａ、３ｂ、３ｄ
には冷却水を流し、３ｂ内の冷却水は抜いておく。この
状態で高周波誘導加熱を行い、内殻壁面を加熱する。

【００２６】以上（４）、（５）の操作を繰り返せば、
さらに気相成長を繰り返すことが出来る。

【００２７】上記（３）の操作を行うにあたって、以下
の注意が必要である。

【００２８】まず、基板ホルダー１２、ＲＦコイル６は
最初に３ｃ側、次に３ｂ側と言うようにガスの流れに対
し下流側から配置しなければならない。

【００２９】熱分解したＧａ、Ａｓなどが水令された壁
面に付着する位置は基板１３あるいはＲＦコイル６より
下流になる。上流側は熱分解する温度に達しない、さら
に層流条件下では下流側の熱分解した原料が上流側に達
することはないため壁面への付着はない。このため最初
の配置を下流側にしておくと、次の配置の上流側が壁面
の付着がないクリーンな状態で使用できる。

【００３０】またガラス管１の長さは３ｂ、３ｃの位置
でも流れの条件が変わらないように設計し、成膜条件が
変化しないように注意する。

【００３１】上記気相成長装置により上記シーケンスで
気相成長を行い、膜質の評価を行った実施例について以
下説明する。

【００３２】図２は成膜回数に対するＧａＡｓの移動度
（室温）を本発明と従来例について調べたものである。

【００３３】具体的な成長条件、成長シーケンスを以下
に記す。

【００３４】ＧａＡｓの気相成長条件は本発明、従来例
とも共通で、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム、
供給量２×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｖ族原料としてＡｓ
Ｈ₃ガス、供給量２×１０^-3ｍｏｌ／ｍｉｎ、キャリア
ガスとして水素ガスを用い、全流量４０００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、管内圧力８０Ｔｏｒｒ、基板温度７５０℃で約２μ
ｍの成膜を行った。

【００３５】従来方法は、約２０回の成長で基板へのパ
ーティクル付着が多くなるため、ここで反応管を取り外
し、洗浄を行う。そして反応管洗浄取付後、１２０℃で
真空ベークアウト８時間の後気相成長を行う。

【００３６】本発明の方法は、外殻３ｃに接する内殻に
基板ホルダー１２、また外周にはＲＦコイル６を配置す
る。１０回の気相成長の後、反応管の外殻３ａ、３ｂ、
３ｃ、３ｄの内３ａ、３ｂ、３ｄに冷却水を流し、３ｃ
は抜いておく。この状態で、反応室内に水素ガスを２０
００ｃｃ／ｍｉｎで流し、管内圧力１０Ｔｏｒｒで７０
０℃で２時間、３ｃに接する内殻の壁面を加熱する。こ
の操作を繰り返し５０回の気相成長を行う。次に外殻３
ｂに接する内殻に基板ホルダー１２、また外周には高周
波コイル６を配置する。１０回の気相成長の後、反応管
の外殻３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの内３ａ、３ｃ、３ｄに
冷却水を流し、３ｂは抜いておく。この状態で、反応室
内に水素ガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎで流し、管内圧力
１０Ｔｏｒｒで７００℃で２時間、３ｂに接する内殻の
壁面を加熱する。この操作を繰り返し５０回の気相成長
を行い、合計１００回の気相成長をガラス反応管１を取
り外さずに行った。

【００３７】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の有機金属気相
成長では、良好な膜質を得るためにＶ族原料過剰の状態
で気相成長を行う。本実施例においてもＶ／ＩＩＩ＝１
００の条件で行っている。このため反応管の内殻の壁面
に付着する付着物はほとんどがＡｓである。本実施例に
おける７００℃の加熱によりＡｓは昇華される。また水
素ガスを流す理由は、粘性流の状態におき、昇華したＡ
ｓが上流側に再付着するのを防ぐためである。

【００３８】さて、図２において、横軸は成膜回数、縦
軸は移動度（ｃｍ²Ｖ^-1ｓｅｃ^-1）であり、点線で示し
た結果が従来方法によるもの、実線で示したものが本発
明の方法によるものである。

【００３９】本発明の方法では、１００回の成膜をガラ
ス反応管１を取り外さずに行った。その間、５０回は外
殻３ｃに接する内殻に基板ホルダー１２、また外周には
ＲＦコイル６を配置し気相成長を行い、１０回おきに上
記方法で壁面の付着物の除去を行い、さらに残り５０回
は外殻３ｂに接する内殻に基板ホルダー１２、また外周
にはＲＦコイル６を配置し気相成長を行い、１０回おき
に上記方法で壁面の付着物の除去を行った。

【００４０】その結果、基板へ付着するパーティクルは
許容レベル内にあった。移動度は最初の５回の成膜を除
いてほぼ安定して８０００ｃｍ²Ｖ^-1ｓｅｃ^-1のものが
得られた。また５０回の成膜の後基板ホルダー、ＲＦコ
イルを移動することによる成膜条件のばらつきも３％以
内であった。

【００４１】一方、従来の方法では、１００回の成膜の
間に４回のガラス反応管の取り外し洗浄が必要となる。
そしてガラス反応管取付直後５回程度の成膜では移動度
が低い。５回から１５回目あたりの成膜では移動度は安
定している。１５回を過ぎた当りからは基板へ付着する
パーティクルが増加し、この影響で移動度の低下が見ら
れ、ガラス反応管の洗浄が必要となる。さらにガラス反
応管の取り付け、取り外しによるセッティングのばらつ
きが生じ、成膜条件のばらつきが１５％程度生じた。

【００４２】このように従来方法では、１００回の成膜
のうち移動度の安定した良好なものは、５０回程度であ
るのに対し、本発明の方法では９５回程度と大幅に歩留
りが向上する。さらに従来方法では反応管取り外し、洗
浄、取り付けに要する時間が付加されるため、時間軸で
見た場合も本発明において大幅な改善がなされる。

【００４３】さらに本発明者は、本発明の気相成長装置
および気相成長方法により半導体レーザ用のダブルヘテ
ロ構造の基板を作製した。１回の成膜ごとに反応管の内
殻の壁面の付着物を取り除く操作を行い、下流側で３０
回、上流側で３０回、合計６０枚の基板を作製した。こ
れらの基板で半導体レーザ素子を作製した結果、従来方
法に比べ７０％の歩留り向上が見られた。

【００４４】以上本発明の実施例では、ガラス反応管１
の外殻の水冷室を４分割した例について示したが５分
割、６分割という具合いに分割数を増やせばその分成膜
回数が増やせる。しかしながら、分割数を増やせば、ガ
ラス反応管のサイズが大きくなり、反応管製作の困難さ
が伴う点に注意を要する。

【００４５】またＧａＡｓとダブルヘテロ構造の成膜に
ついて説明を行ったが、この限りではない。ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体では、ＩＩＩとしてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、
Ｖ族としてＡｓ、Ｐにより構成される、二元系あるいは
多元系の化合物半導体についても適用される。さらにＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体についても同様に適用される。

【００４６】

【発明の効果】以上、本発明は化合物半導体の横型気相
成長装置及び気相成長方法において以下の効果を有す
る。

【００４７】（１）反応管の水冷室を４分割以上するこ
とにより、中央の反応部を取り巻く水冷室の冷却水を抜
き、両側の水冷室に冷却水を流す操作が可能となる。こ
の結果、反応管の両端の温度上昇を防ぎながら、反応管
中央付近の加熱ができ、内殻の壁面の付着物を除去でき
る。このため反応管の両端をシールしているＯリングの
熱変質によってシールが破れるといった事故を回避する
ことが出来る。

【００４８】（２）さらに反応管を取り外す事なく内殻
の壁面のクリーニングができ、反応部の移動が可能であ
るため反応管交換のサイクルを飛躍的に長くすることが
出来る。この結果、反応管取り外し、洗浄、取り付けの
作業回数が減り、装置の効率的な使用が可能となる。

【００４９】（３）さらに反応管取り外し、洗浄、取り
付けの作業は、原料に毒性物質を使用していることから
危険性が高い。本発明によれば、この作業を減らすこと
が出来るため、より安全な装置運用が可能となる。

【００５０】（４）また反応管交換のサイクルが長くな
るため、反応管装着後の数回の成膜に見られる膜質悪化
などの不安定な要素を減らすことが可能となる。さらに
ガラス反応管のセッティングのばらつきによる成膜条件
のばらつきも抑えることが出来る。この結果、高品質
で、高い歩留りで半導体レーザ素子やＨＥＭＴ素子など
の用途のウエハーを供給することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化合物半導体の気相成長装置の構成概
略断面図及び気相成長方法を示した図。

【図２】本発明と従来例について成膜回数に対するＧａ
Ａｓの移動度（室温）を調べた図。

【図３】従来の化合物半導体の気相成長装置の構成概略
断面図。

【符号の説明】

１・・・ガラス製反応管 ２・・・内殻 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ・・・外殻（水冷室） ４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ・・・冷却水流入口 ５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ・・・冷却水流出口 ６・・・ＲＦコイル ７・・・ガス導入口 ８・・・ガス導入口フランジ ９・・・チャンバー １０、１１・・・Ｏリング １２・・・基板ホルダー １３・・・基板 １４・・・真空ポンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横型でかつガラス製二重管を有し、該ガ
   ラス製二重管の外殻には冷却水を流し該ガラス製二重管
   の内殻の壁面を冷却する化合物半導体の気相成長装置に
   おいて、該ガラス製二重管の外殻は横方向に４分割以上
   してなることを特徴とする化合物半導体の気相成長装
   置。
2. 【請求項２】 化合物半導体の気相成長方法において、
   ｍ分割（ｍは４以上の自然数）された該ガラス製二重管
   の外殻を、原料供給側から外殻第１室、外殻第２室、外
   殻第３室、・・・、外殻第ｍ室とし、 （１）外殻第ｎ室（ｎは２以上ｍ−１以下の自然数）に
   接する内殻に基板を位置させ、該外殻第１室、外殻第２
   室、外殻第３室、・・・、外殻第ｍ室のｍ室全てに冷却
   水を流し、気相成長を任意回数行い、 （２）該外殻ｎ室の以外の外殻を水冷し、該外殻ｎ室に
   接する内殻壁面を加熱し、 （３）前記（１）、（２）工程を任意回数繰り返した
   後、外殻第ｎ−１室に接する内殻に基板を位置させ、該
   外殻第１室、外殻第２室、外殻第３室、・・・、外殻第
   ｍ室のｍ室全てに冷却水を流し、気相成長を任意回数行
   い、 （４）該外殻ｎ−１室の以外の外殻を水冷し、該外殻ｎ
   −１室に接する内殻壁面を加熱し、 （５）前記（１）から（４）の工程をｎ＝ｍ−１からｎ
   ＝２まで繰り返す、 工程を含むことを特徴とする化合物半導体の気相成長方
   法。