JPH1025200A

JPH1025200A - 成膜用基板および電気素子

Info

Publication number: JPH1025200A
Application number: JP18254596A
Authority: JP
Inventors: Nakao Akutsu; 仲男阿久津; Kazuo Uchida; 和男内田; Hiroki Tokunaga; 裕樹徳永; Isao Matsumoto; 功松本
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】透明基板を効率良く加熱でき、その表面温度
を正確に制御することができる成膜用基板の提供、及び
この透明基板の表面に半導体素子部などの電気素子部を
均一な膜厚で成膜した電気素子の提供。【解決手段】表面Ａに半導体層などの薄膜を成膜する
透明な基板本体11の裏面Ｂに、該基板本体の材料より光
吸収係数の大きな材料からなる光吸収層12を形成してな
る成膜用基板10。この成膜用基板の表面に、少なくとも
１層の半導体層と導電層を有する電気素子部が形成され
てなる電気素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板表面に半導体層
などの薄膜を成膜する基板に関し、特に透明な基板を用
い、成膜時等で該基板を効率良く所定温度に加熱するこ
とが可能な成膜用基板と、該基板の表面に電気素子部を
形成した電気素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レー
ザ（ＬＤ）などの半導体発光素子、フォトダイオードな
どの半導体受光素子、太陽電池などの半導体素子、ディ
スプレイ用透明電極、或いはジョセフソン素子などの超
電導回路素子を製造する際に、ガラス、単結晶サファイ
ア基板、単結晶炭化ケイ素等の透明な基板を用い、この
透明基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、分子
線エピタキシー法、スパッタリング法などの薄膜形成法
を用いて半導体等の各種材料の薄膜を形成する場合があ
る。これらの薄膜形成法によって基板上に各種材料を成
膜する際、基板を数百℃〜千数百℃に加熱しつつ成膜す
る場合が多い。

【０００３】基板を加熱するための装置として、従来よ
り図５に示すものが知られている。この従来の基板加熱
装置は、透明基板１を配置する凹部を有するウエハート
レー２と、該トレー２を載置するサセプター３と、該サ
セプター３の下面側を加熱可能に配置したヒーター４と
を備えて構成されている。前記ウエハートレー２は石英
ガラスなどの透明硬質材料からなっている。また前記サ
セプター３はカーボン材からなっている。この基板加熱
装置は、ウエハートレー２の上面の凹部に透明基板１を
配置し、ヒーター４に通電してサセプター３下面を加熱
し、伝導伝熱によって透明基板１を所定温度に加熱する
ようになっている。また、ヒーター４に代えて、赤外線
ランプなどの加熱用ランプを配置し、サセプター３を加
熱するものも知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単結晶
サファイア基板などの透明基板を加熱する場合、ヒータ
ー４により加熱されたサセプター３の上面側から発せら
れた輻射熱は、透明基板１に吸収されずに殆どが透過し
てしまい、サセプター３とウエハートレー２を介した伝
導伝熱によって透明基板１が加熱されることになり、ヒ
ーター４の熱エネルギーのうちの一部しか利用されず、
熱効率が悪かった。従って、透明基板１を所望温度に加
熱するために多量の熱エネルギーが必要となるととも
に、ヒーター４の温度に比べて成膜すべき透明基板１表
面の温度がかなり低下してしまい、温度制御が困難な問
題がある。殊に基板に反りがある場合や、基板１とウエ
ハートレー２の平坦性が悪い場合に温度分布を生じ易
い。さらに、この基板加熱装置で加熱されている透明基
板１の表面に、半導体材料等を成膜する場合、該基板１
の表面に形成された膜の材料は、透明基板１よりも光吸
収率が高いために、透明基板を透過した赤外光などの輻
射エネルギーが形成された膜に当って該膜が不必要に加
熱されてしまい、成長時に膜温度（成長面）が変化して
均一な膜を得ることが困難となる。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、透明基板を効率良く加熱でき、その表面温度を正確
に制御することができる成膜用基板の提供を課題として
いる。また、本発明は、この透明基板の表面に半導体素
子部などの電気素子部を均一な膜厚で成膜した電気素子
の提供を課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
発明は、表面に半導体層などの薄膜を成膜する透明な基
板本体の裏面に、該基板本体の材料より光吸収係数の大
きな材料からなる光吸収層を形成してなる成膜用基板で
ある。請求項２に係る発明は、前記光吸収層が、ホウ
素、炭素、シリコン、ゲルマニウム、遷移元素およびそ
れらの化合物、遷移元素およびそれらの化合物を含有す
るガラスからなる群より選択される少なくとも１種の材
料からなることを特徴とする請求項１記載の成膜用基板
である。請求項３に係る発明は、前記基板本体が、サフ
ァイア、マグネシア、炭化ケイ素、シリカからなる群よ
り選択される１種からなることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の成膜用基板である。請求項４に係る発明
は、請求項１から３のいずれか１項記載の成膜用基板の
表面に、少なくとも１層の半導体層と導電層を有する電
気素子部が形成されてなる電気素子である。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明による成膜用基板の
一形態を示すものである。この成膜用基板１０は、表面
Ａに半導体層などの薄膜を成膜する透明硬質材料からな
る基板本体１１の裏面Ｂに、該基板本体１１の材料より
光吸収係数の大きな材料からなる光吸収層１２を形成し
て構成されている。

【０００８】基板本体１１としては、透明で硬質な材
料、例えば、サファイア、炭化ケイ素、安定化ジルコニ
ア、マグネシア、スピネル、トパーズ、ＹＡＧやＧＧＧ
などのガーネット、シリカなどのセラミック単結晶や、
石英ガラスなどのガラスが用いられ、それらのうちでも
サファイア、炭化ケイ素、マグネシア、スピネル、シリ
カが好適に用いられる。

【０００９】この基板本体１１の裏面Ｂに形成される光
吸収層１２の材料は、基板本体１１の材料より光吸収係
数の大きな材料、例えばホウ素、炭素、シリコン、ゲル
マニウム、遷移元素およびそれらの化合物、遷移元素お
よびそれらの化合物を含有するガラスからなる群より選
択される少なくとも１種の材料が用いられ、好ましい材
料を例示すれば、ホウ素、シリコン、炭素、タングステ
ン、モリブデン、チタン、バナジウム、タンタル、クロ
ム、ジルコニウム、コバルト、鉄、イリジウム、オスミ
ウム、パラジウム、レニウム、炭化ケイ素、炭化タング
ステン、炭化チタン、炭化鉄、炭化ホウ素、炭化マンガ
ン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタ
ル、炭化バナジウム、炭化ニオブ、ホウ化ニオブ、ホウ
化タンタル、ホウ化クロム、ホウ化モリブデン、ホウ化
タングステン、ホウ化マンガン、ホウ化鉄、ホウ化コバ
ルト、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハ
フニウム、ホウ化イットリウム、ホウ化ランタン、ホウ
化サマリウム、ホウ化ガドリニウム、ホウ化イッテルビ
ウム、ホウ化トリウム、ホウ化ネオジム、ケイ化クロ
ム、ケイ化ニッケル、ケイ化鉄、ケイ化コバルト、ケイ
化モリブデン、ケイ化タングステン、ケイ化マグネシウ
ム、ケイ化チタン、ケイ化パラジウム、ケイ化ルビジウ
ム、ケイ化セシウム、ケイ化ジルコニウム、ケイ化トリ
ウム、窒化ホウ素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒
化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タン
タル、窒化クロム、窒化タリウム、窒化タングステン、
窒化鉄、窒化マンガン、窒化コバルト、窒化ニッケル、
窒化ケイ素、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化
コバルト、酸化銅、酸化鉄含有ガラスなどである。これ
ら材料（光吸収材料）からなる光吸収層１２の膜厚は特
に限定されないが、０．０１〜１０μｍ程度の厚さであ
れば十分である。この光吸収層１２は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法などの薄膜形成手段によって、或いは該光
吸収材料を含む塗料を均一な厚さに塗布して焼き付ける
印刷法などによって形成可能であり、好ましくはスパッ
タリング法が用いられる。

【００１０】この成膜用基板１０は、透明な基板本体１
１の裏面に、該基板本体１１よりも光吸収係数の大きな
材料からなる光吸収層１２を設けた構成としたので、こ
の成膜用基板１０を加熱装置、例えば図５に示すような
加熱装置に配置して加熱する場合に、ヒーター４の熱エ
ネルギーがサセプター３とウエハートレー２とを介して
伝導伝熱によって成膜用基板１０に伝わることに加え、
加熱されたサセプター３の上面から発せられる輻射熱
（赤外光）がウエハートレー２を透過して成膜用基板１
０の光吸収層１２に到達し、光吸収層１２が加熱され
る。従って、この成膜用基板１０は、従来の透明基板で
は吸収できずに透過していた輻射熱エネルギーを利用し
て効率良く基板を加熱することが可能となる。その結
果、成膜用基板１０を所望温度に加熱するために必要な
熱エネルギーを削減できるとともに、基板表面Ａの温度
とヒーター４の温度との格差が減少できるので、基板表
面Ａの温度制御を容易かつ正確に行い得る。さらに、成
膜用基板１０を加熱しつつ、その表面Ａに半導体材料等
を成膜する場合、基板本体１１を透過した赤外光などの
輻射エネルギーが、形成された膜に当って該膜が不必要
に加熱されてしまうことがなくなり、基板表面Ａの加熱
温度分布が均一となるので、膜厚を均一に成膜すること
が可能となる。

【００１１】なお、この成膜用基板１０は、従来の透明
基板１のような伝導伝熱のみによる加熱方式のみなら
ず、透明基板１では不可能な輻射加熱、すなわち可視
光、赤外光、遠赤外光のいずれかの光を照射して光吸収
層１２を加熱することによって効率良く加熱することが
できるので、図５に示すような従来の透明基板１加熱用
の加熱装置のように、サセプター３を光透過不可能なカ
ーボンを用いた構成の他、サセプター３を炭化ケイ素、
炭化ホウ素、サファイア、石英ガラスのような透明材料
で形成し、ヒーター４または赤外線ランプやレーザ光源
などの加熱手段からの光線を直接成膜用基板１０の光吸
収層１２に照射し、成膜用基板１０を加熱（輻射加熱）
する構成とすることができる。また、成膜用基板１０を
加熱するための加熱装置は、図５に示す加熱装置に限定
されることなく、使用する薄膜形成装置に適応させた構
造に変更可能であり、サセプター３及びトレー２は必須
ではない。

【００１２】図２は本発明による電気素子の一形態を示
すものであって、この電気素子２０は、上述した本発明
に係る成膜用基板１０の表面Ａに、少なくとも１層の半
導体層と導電層を有する電気素子部１３を成膜した構成
になっている。

【００１３】この電気素子２０は、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子、
フォトダイオードなどの半導体受光素子、太陽電池など
の半導体素子、ディスプレイ用透明電極、或いはジョセ
フソン素子などの超電導回路素子に適用することがで
き、これらいずれかの電気素子とするために、成膜用基
板１０の表面Ａに適宜な材料からなる複数の膜が形成さ
れている。例えば、発光ダイオード、半導体レーザ、フ
ォトダイオードのような半導体発光素子や半導体受光素
子を形成する場合には、成膜用基板１０の表面に、Ｇａ
Ｐ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧ
ａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＰなどの複数の半導
体層と金属電極層を有する電気素子部１３が形成され
る。これら半導体層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成
長）法、分子線エピタキシー法、スパッタリング法など
の薄膜形成法を用いて形成される。太陽電池などの半導
体素子は、この成膜用基板１０の表面Ａにアモルファス
シリコン、水素化アモルファスシリコン、多結晶シリコ
ン、ＧａＡｓなどの半導体層を有する電気素子部１３が
形成される。ディスプレイ用透明電極は、この成膜用基
板１０の表面Ａに、ＩＴＯ（インジウム-スズ酸化物）
などの透明電極材料を、ディスプレイ表示部、駆動回路
部など必要なパターンに沿って形成し、さらにその上に
液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ表示装置を形
成した電気素子部１３が設けられる。超電導回路素子
は、この成膜用基板１０の表面Ａに、酸化物超電導体な
どの超電導物質を、所望のパターンに沿ってＭＯＣＶＤ
（有機金属気相成長）法、分子線エピタキシー法、スパ
ッタリング法などの薄膜形成法を用いて形成した電気素
子部１３が設けられる。

【００１４】なお、成膜用基板１０を用いて電気素子部
１３を形成した後、成膜用基板１０の光吸収層１２は不
要であれば取り除いても良い。電気素子２０から光吸収
層１２を取り除くには、酸洗浄などの化学的処理、或い
は機械研磨によって簡単に除去することができる。さら
に、成膜用基板１０の光吸収層１２は、赤外光などの光
を熱エネルギーに転換するための機能の他、例えば表面
Ａに電気素子部１３を形成して電気素子２０とした場合
に、成膜用基板１０の裏面Ｂから出射される光を反射し
て基板側面から出射させるための反射層の機能を持たせ
たり、或いはディスプレイのカラー表示用フィルタやシ
ャドーマスク部の機能を兼用させても良い。

【００１５】この電気素子２０は、上述した成膜用基板
１０の表面に少なくとも１層の半導体層と導電層を有す
る電気素子部１３を成膜してなり、裏面Ｂに光吸収層１
２を有する成膜用基板１０を使用したことにより、電気
素子部１３の形成時に成膜用基板１０の加熱温度を正確
に制御することができ、しかも基板表面Ａの面内温度分
布が改善されることによって、形成される膜の面内膜厚
分布が均一化でき、品質の向上及び歩留り向上を図るこ
とができる。

【００１６】

【実施例】

・実施例１直径５０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのサファイア基板の裏面
に、スパッタリング法によって約１０μｍ厚のカーボン
層を形成し、成膜用基板１０とした。この成膜用基板１
０を図４に示す基板加熱評価装置に配置し、基板を加熱
する際のヒーター温度と基板表面温度との関係を調べ
た。図４の基板加熱評価装置は、成膜用基板１０を配置
する凹部を有するウエハートレー２と、該トレー２を載
置するサセプター３と、該サセプター３の下面側を加熱
可能に配置されたヒーター４と、該ヒーター４の温度測
定用の熱電対５と、基板表面の温度測定用の熱電対６
と、これらを覆う試験チャンバ７とから構成されてい
る。試験チャンバ７には窒素ガスの入口８と出口９が設
けられ、入口８から窒素ガスを供給して該チャンバ７内
を窒素雰囲気として実験を行った。ウエハートレー２は
石英ガラスからなり、サセプター３はカーボン材からな
っている。ヒーター４はグラファイトの抵抗加熱ヒータ
ーを用いた。比較のために裏面にカーボン層を形成しな
い従来のサファイア基板についても同じ評価装置により
ヒーター温度と基板表面温度との関係を調べた。その結
果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１の結果から、サファイア基板の裏面
に、光吸収層としてカーボン層を形成することで、基板
が非常に効率良く加熱されていることが分かる。

【００１９】・実施例２直径５０ｍｍ、厚さ０．３３ｍｍのサファイア基板の裏
面に、スパッタリング法によって約０．１μｍ厚のタン
グステン（Ｗ）層を形成し、実施例１と同じく図４の評
価装置に該基板を配置し、基板を加熱する際のヒーター
温度と基板表面温度との関係を調べた。比較のために裏
面にタングステン層を形成しない従来の基板についても
同様にヒーター温度と基板表面温度との関係を調べた。
その結果を表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２の結果から、サファイア基板の裏面
に、光吸収層としてタングステン層を形成することで、
基板が非常に効率良く加熱されていることが分かる。

【００２２】・実施例３１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの炭化ケイ素基板
の裏面に、スパッタリング法によって約１０μｍ厚のゲ
ルマニウム層を形成し、実施例１と同じく図４の評価装
置に該基板を配置し、基板を加熱する際のヒーター温度
と基板表面温度との関係を調べた。比較のために裏面に
ゲルマニウム層を形成しない従来の炭化ケイ素基板につ
いても同様にヒーター温度と基板表面温度との関係を調
べた。その結果を表３に示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】表３の結果から、サファイア基板の裏面
に、光吸収層としてゲルマニウム層を形成することで、
基板が非常に効率良く加熱されていることが分かる。

【００２５】・実施例４直径５０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのサファイア基板の裏面
に、スパッタリング法によって約１０μｍ厚のカーボン
層を形成して成膜用基板１０を作製した。この成膜用基
板を、図５に示す基板加熱装置を内蔵したＣＶＤ装置に
配置し、模擬的な電気素子として図３に示す通り、基板
の表面Ａに、ＡｌＮ膜１４、ＧａＮ膜１５をＣＶＤ法
（ＭＯＣＶＤ法）によって順に成膜し、膜厚分布を調べ
た。ＡｌＮ膜１４及びＧａＮ膜１５の成長は、下記の条
件で基板を回転しながら行った。

【００２６】ＡｌＮ膜の成長条件成長温度；５００℃ 成長時間；６分間アンモニア供給量；８Ｌ／分トリメチルアルミニウム供給量；４０μmol／分。

【００２７】ＧａＮ膜の成長条件成長温度；１０５０℃ 成長時間；６０分間アンモニア供給量；８Ｌ／分トリメチルガリウム供給量；４０μmol／分。

【００２８】なお、比較のために、裏面にカーボン層を
形成しないサファイア基板（従来の基板）を用いて、同
様にＡｌＮ膜１４、ＧａＮ膜１５を成膜し、膜厚分布を
調べた。その結果、従来の基板の面内分布は±６．３％
であったが、本発明の成膜用基板を使用することによ
り、面内膜厚分布は±２．２％に向上した。この面内膜
厚分布均一性の向上は、基板面内の温度分布が改善され
たことによるものと推定される。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の成膜用基
板は、表面に半導体層などの薄膜を成膜する透明基板の
裏面に、該基板の材料より光吸収係数の大きな材料から
なる光吸収層を形成してなるものなので、この成膜用基
板を加熱する場合に、加熱源からの伝導伝熱に加え、光
吸収層が輻射加熱される。従って、この成膜用基板は、
従来の透明基板では吸収できずに透過していた輻射熱エ
ネルギーを利用して効率良く基板を加熱することが可能
となる。その結果、成膜用基板を所望温度に加熱するた
めに必要な熱エネルギーを削減できるとともに、基板表
面の温度制御を容易かつ正確に行うことができる。さら
に、成膜用基板を加熱しつつ、その表面に半導体材料等
を成膜する場合、基板本体を透過した赤外光などの輻射
エネルギーが、形成された膜に当って該膜が不必要に加
熱されてしまうことがなくなり、基板表面の温度変化が
小さくなるので、膜厚を均一に成膜することが可能とな
る。また、前記光吸収層を、ホウ素、炭素、シリコン、
ゲルマニウム、遷移元素およびそれらの化合物、遷移元
素およびそれらの化合物を含有するガラスからなる群よ
り選択される少なくとも１種の材料からなるものとすれ
ば、該光吸収層によって赤外光が十分に吸収されて効率
良く熱エネルギーに転換されるので、上述した成膜用基
板の効果をより一層高めることができる。更に基板本体
が、サファイア、マグネシア、炭化ケイ素、シリカ、ス
ピネルからなる群より選択される１種からなるもので
は、赤外光に対して高い透過率を示すこれら透明材料を
基板に用いた場合であっても、電気素子部の形成時に成
膜用基板の加熱温度を正確に制御することができ、しか
も基板表面の面内温度分布が改善されることによって、
形成される膜の面内膜厚分布が均一化できるので、これ
ら透明な材料からなる基板表面に半導体層を含む電気素
子部を成膜して形成される電気素子、例えば基板にサフ
ァイアを用いるＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを
活性層とした高品質の発光ダイオードを歩留りよく製造
することができる。

【００３０】本発明による電気素子は、前記成膜用基板
の表面に、少なくとも１層の半導体層と導電層を有する
電気素子部を形成してなり、裏面に光吸収層を有する成
膜用基板を使用したことにより、電気素子部の形成時に
成膜用基板の加熱温度を正確に制御することができ、し
かも基板表面の面内温度分布が改善されることによっ
て、形成される膜の面内膜厚分布が均一化でき、品質の
向上及び歩留り向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成膜用基板の一形態を示す断面
図。

【図２】本発明による電気素子の一形態を示す断面
図。

【図３】本発明の実施例で作製した成膜基板を示す側
面図。

【図４】本発明の実施例で用いた基板加熱評価装置の
断面図。

【図５】従来の基板加熱装置の断面図。

【符号の説明】

１０……成膜用基板、１１……基板本体、１２……光吸
収層、１３……電気素子部、２０……電気素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ａ 31/10 Ｈ０１Ｓ 3/18 33/00 Ｈ０１Ｌ 31/04 ＨＨ０１Ｓ 3/18 31/10 Ａ (72)発明者松本功茨城県つくば市大久保10 日本酸素株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に半導体層などの薄膜を成膜する透
明な基板本体の裏面に、該基板本体の材料よりも光吸収
係数の大きな材料からなる光吸収層を形成してなる成膜
用基板。
【請求項２】前記光吸収層が、ホウ素、炭素、シリコ
ン、ゲルマニウム、遷移元素およびそれらの化合物、遷
移元素およびそれらの化合物を含有するガラスからなる
群より選択される少なくとも１種の材料からなることを
特徴とする請求項１記載の成膜用基板。
【請求項３】前記基板本体が、サファイア、マグネシ
ア、炭化ケイ素、シリカ、スピネルからなる群より選択
される１種からなることを特徴とする請求項１または２
記載の成膜用基板。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項記載の成
膜用基板の表面に、少なくとも１層の半導体層と導電層
を有する電気素子部が形成されてなる電気素子。