JPH11180796A - 気相成長方法およびその方法を適用した気相成長装置 - Google Patents

気相成長方法およびその方法を適用した気相成長装置

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JPH11180796A
JPH11180796A JP35190097A JP35190097A JPH11180796A JP H11180796 A JPH11180796 A JP H11180796A JP 35190097 A JP35190097 A JP 35190097A JP 35190097 A JP35190097 A JP 35190097A JP H11180796 A JPH11180796 A JP H11180796A
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thin film
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temperature
reaction furnace
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Satoshi Aramaki
聡 荒巻
Wataru Kaneda
亙 金田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上に薄膜を気相成長させるための反応炉
内において、反応炉内の温度プロファイルを簡易に制御
して基板上の薄膜成長温度を調整し得る気相成長方法お
よびその方法を適用した気相成長装置を提供する。 【解決手段】 薄膜を気相成長させるための反応炉1内
に設けられるサセプタ(カーボンサセプタ2)上に基板
(GaAs基板1)を載置し、その基板表面に原料とな
るガスを供給して薄膜を形成する気相成長装置(縦型フ
ェースアップ多数枚MOCVD装置R)において、前記
サセプタと対向する位置に、同心円状に分割された冷却
流路(水冷ジャケットC1〜C6)が形成され、各冷却
流路へ流通される冷却媒体の流量と温度の少なくとも何
れかを制御して、反応炉内の温度プロファイルを適宜調
整する冷却制御装置が設けられる構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜を気相成長さ
せるための反応炉内に基板を配置し、その基板表面に原
料となるガスを供給して薄膜を形成する気相成長方法お
よびその方法を適用した気相成長装置に関し、特にGa
As基板等に薄膜を形成する場合などに適用して有用な
技術に関する。
【0002】
【従来の技術】基板上に薄膜を形成させるエピタキシャ
ル成長法の一種である気相成長において、基板上の成長
温度は、形成される薄膜の表面状態、電気的特性、光学
的特性等に大きく影響を与える重要なパラメータの一つ
である。
【0003】また、気相成長法の一種で、有機金属の熱
分解反応を利用した化学反応でエピタキシャル成長を行
なうMOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Dep
osition:有機金属気相成長法)などでは、原料として
のガスを反応炉内に供給するが、そのガスの温度分布や
温度上昇に伴うガスの分解反応等も薄膜の諸特性に大き
く影響する。従って、流通するガスの温度に影響を与え
る反応炉内の温度プロファイルを薄膜の特性等に合わせ
て調整したいという要望があった。
【0004】そこで、従来においては、反応炉内に設け
られて基板を載置するサセプタと対向する面、即ち反応
炉の上面側にヒータを組み込んで、このヒータのオン/
オフ制御により基板上の成長温度や反応炉内の温度プロ
ファイルを調整しようという方法が提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように反応炉の上面側にヒータを組み込む構成は、気相
成長装置や反応炉の構造が複雑化し、製造コストも嵩む
という問題点があった。
【0006】特に、反応炉の上面側には、反応炉の温度
上昇を抑えるための冷却系として冷却媒体(冷却水)を
循環させる水冷ジャケットが設けられる場合が多く、空
間的にも反応炉の上面側に嵩張るヒータ装置を組み込む
ことは困難であった。
【0007】本発明は、上述のような問題点に鑑み案出
されたものであり、基板上に薄膜を気相成長させるため
の反応炉内において、反応炉内の温度プロファイルを簡
易に制御して基板上の薄膜成長温度を調整し得る気相成
長方法およびその方法を適用した気相成長装置を提供す
ることを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本出願に係る第1の発明は、薄膜を気相成長させる
ための反応炉内に設けられるサセプタ上に基板を載置
し、その基板表面に原料となるガスを供給して薄膜を形
成する気相成長方法であって、前記反応炉の冷却系を前
記サセプタに対向する位置に同心円状に分割して配置
し、当該各冷却系へ流通させる冷却媒体の流量と温度の
少なくとも何れか制御することにより、反応炉内の温度
プロファイルを適宜調整するようにしたものである。
【0009】この気相成長方法によれば、分割された各
冷却系における冷却媒体の流量と温度の少なくとも何れ
かを制御することで反応炉内の温度プロファイルを調整
することができ、ひいては基板上の薄膜成長温度を最適
に制御して表面状態、電気的特性、光学的特性に優れた
薄膜を成長させることが可能となる。
【0010】また、従来の単純な水冷方式では、反応炉
の基板に対向する面が低温度となるため、その対向面に
結晶粒が析出し、その析出物が基板上に落下して結晶欠
陥の一種であるパーティクルを発生する原因となる場合
があったが、本発明によれば、分割された各冷却系にお
ける冷却媒体の流量と温度の少なくとも何れかを適当に
制御することにより、基板の対向面を高温に保って析出
物を再蒸発させることが可能となり、析出物の基板上へ
の落下を未然に防止して薄膜の表面欠陥密度を減少させ
ることができる。
【0011】また、本出願に係る第2の発明は、薄膜を
気相成長させるための反応炉内に設けられるサセプタ上
に基板を載置し、その基板表面に原料となるガスを供給
して薄膜を形成する気相成長装置において、前記サセプ
タと対向する位置に、同心円状に分割された冷却流路が
形成され、各冷却流路へ流通させる冷却媒体の流量と温
度の少なくとも何れかを制御して、反応炉内の温度プロ
ファイルを適宜調整する冷却制御装置が設けられる構成
となっている。
【0012】この気相成長装置によれば、冷却制御装置
によって分割された各冷却流路における冷却媒体の流量
と温度の少なくとも何れかを制御することで反応炉内の
温度プロファイルを調整することができ、基板上の薄膜
成長温度を最適に制御して表面状態、電気的特性、光学
的特性に優れた薄膜を成長させることができる。
【0013】また、各冷却流路のそれぞれについて独立
して冷却媒体の流量と温度の少なくとも何れかを制御す
るならば、より自由度の高い温度プロファイルの制御を
実現することができる。
【0014】また、前記冷却流路を水冷ジャケットで構
成するならば、従来の水冷装置に置換するだけで容易に
反応炉の温度プロファイルの調整を行なうことが可能で
ある。
【0015】
【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施形態の一例
を図面を参照して説明する。
【0016】図1,図2は、本発明に係る気相成長方法
を適用した縦型フェースアップ多数枚MOCVD装置の
概略平面図並びに概略側方断面図である。
【0017】MOCVD装置Rは、反応炉1内において
回転可能なカーボンサセプタ2を備え、その上に複数枚
の例えば直径4インチの基板3,3・・・を載置するよ
うになっている。
【0018】反応炉1の下面側には、複数の同心円状の
ランプヒータ4が設けられ、反応炉1内を下側から加熱
するように構成されている。
【0019】また、反応炉1の上面側の中央には原料と
してのガスを反応炉1内に導入するガス導入管5が設け
られている。
【0020】さらに、反応炉1の上面側には、同心円状
に6分割された水冷ジャケットC1〜C6が設けられ、
各水冷ジャケットC1〜C6は、冷却水の供給口a,a
・・・と排出口b,b・・・とをそれぞれ備えている。
【0021】なお、図には表れないが、各水冷ジャケッ
トC1〜C6の各供給口a,a・・・および各排出口
b,b・・・には、ポンプ,流量計,バルブ等を備えた
冷却水送給管並びに冷却水排出管からなる冷却水循環系
がそれぞれ連結されている。
【0022】以上が本実施形態に係る縦型フェースアッ
プ多数枚MOCVD装置Rの一例構成であり、次に、こ
のMOCVD装置Rによって反応炉の温度プロファイル
の調整を行なって基板3上に薄膜を気相成長させる手順
を簡単に説明する。
【0023】まず、反応炉1内のカーボンサセプタ2上
に例えばGaAsなどの化合物半導体基板3を載置し
て、同心円状のランプヒータ4を駆動させる。
【0024】そして、ランプヒータ4への通電量を適宜
制御して、反応炉1内を所定温度まで加熱すると同時
に、カーボンサセプタ2を所定の回転速度(例えば3r
pm)で回転させる。
【0025】次いで、ガス導入管5を介して、基板表面
に原料としての有機金属や水素化物のガスの供給を開始
する。
【0026】一方、冷却水循環系から反応炉1の上面側
の各水冷ジャケットC1〜C6に対し供給口a,a・・
・を介して所定の水冷パターンで冷却水が送給され、反
応炉1内の温度プロファイルの調整を開始する。
【0027】水冷パターンとは、水冷ジャケットC1,
C2,C3,C6に対しては所定流量で冷却水を送給
し、他の水冷ジャケットC4,C5に対しては冷却水を
送給しないというパターンや、水冷ジャケットC1,C
3,C5,C6に対しては所定流量で冷却水を送給し、
他の水冷ジャケットC2,C4に対しては冷却水を送給
しないというパターンなどのことであり、それぞれの冷
却パターンにより異なる温度プロファイルを得ることが
可能である。
【0028】ここで、図3,図4を参照して、カーボン
サセプタ2および基板3と対向する反応炉1の上面の温
度プロファイルと水冷パターンとの関係を説明する。
【0029】図3と図4は、縦軸に温度(℃)、横軸に
中心からの距離(mm)をとり、水冷パターン毎の温度
測定結果に基づく温度プロファイルをグラフ表示したも
のである。
【0030】図3において、パターン(I)は水冷ジャ
ケットC1〜C6の何れにも冷却水を供給しなかった場
合、即ち冷却を行なわなかった場合の温度プロファイル
であり、400℃〜600℃まで温度が上昇し、中心か
ら離れるほど温度が低下する温度プロファイルとなる。
【0031】一方のパターン(II)は水冷ジャケットC
1〜C6の全てに冷却水を供給した場合の温度プロファ
イルであり、温度範囲は50℃〜100℃となり、中心
から離れるほど温度が上昇する温度プロファイルとな
る。
【0032】また、図4において、パターン(III)は
水冷ジャケットC1,C2,C3,C6に対しては所定
流量で冷却水を送給し、他の水冷ジャケットC4,C5
に対しては冷却水を送給しない場合の温度プロファイル
であり、温度範囲は約60℃〜110℃であり、中心か
ら150mm付近で最高温度を示し、中心から200m
m付近では80℃まで一旦温度降下する温度プロファイ
ルとなる。
【0033】パターン(IV)は水冷ジャケットC1,C
3,C5,C6に対しては所定流量で冷却水を送給し、
他の水冷ジャケットC2,C4に対しては冷却水を送給
しない場合の温度プロファイルであり、温度範囲は約6
0℃〜90℃であり、中心から0〜200mmの範囲で
温度が波状に変化し、中心から200〜300mmでは
徐々に温度が上昇する温度プロファイルとなる。
【0034】パターン(V)は水冷ジャケットC3,C
4,C5,C6に対しては所定流量で冷却水を送給し、
他の水冷ジャケットC1,C2に対しては冷却水を送給
しない場合の温度プロファイルであり、温度範囲は約6
0℃〜130℃であり、中心から0〜150mmの範囲
では130℃から60℃まで急激に温度が降下し、中心
から150〜300mmでは徐々に温度が上昇する温度
プロファイルとなる。
【0035】このように、水冷パターンを変更すること
により反応炉1内の温度プロファイルを調整することが
できるので、薄膜を形成する材料ガスの種類や、形成し
ようとする薄膜の特性に合わせて温度プロファイルを適
当に変化させることができる。
【0036】なお、水冷パターンは図3,図4に示した
ものに限られるものではなく、水冷ジャケットC1〜C
6から適当に選択した水冷ジャケットの組み合わせに対
して冷却水を流すようにできる。
【0037】また、上記の水冷パターン(I)〜(V)
では、所定の水冷ジャケットには冷却水を流通させない
ようにする場合について述べたが、これに限らず水冷ジ
ャケットC1〜C6の冷却水の各流量をリアルタイムで
増大させたり減少させたりして温度プロファイルを制御
する場合も含まれる。
【0038】また、各水冷ジャケットC1〜C6に接続
される冷却水送給管および冷却水排出管からなる冷却水
循環系に加熱手段或いは冷却手段を設け、各水冷ジャケ
ットC1〜C6に供給する冷却水の温度を適宜調節する
ように構成するならば、より自由度の高い温度プロファ
イル調整を行なうことが可能である。
【0039】また、反応炉1内に温度センサを設け、そ
の温度計測信号をマイクロコンピュータ等を備える制御
装置に送信し、その制御装置によって、各水冷ジャケッ
トC1〜C6に流通される冷却水の流量や温度を所定の
温度プロファイルに合わせて自動的に制御する構成とし
ても良い。
【0040】なお、水冷ジャケットの分割数は本実施形
態のように6個に限られるものではなく、任意の数であ
って良いし、また、水冷ジャケットを設けるパターンも
同心円状に限らず、反応炉1内の温度プロファイルを調
整し得る任意のパターンであっても良い。
【0041】さらに、本実施形態では、冷却媒体として
冷却水を用いる場合について述べたが、他の冷却媒体を
用いる場合にも本発明に係る気相成長方法および気相成
長装置は有効である。
【0042】以上述べたように、所定の水冷パターンに
よって、反応炉1内の温度プロファイルを調整すること
により、カーボンサセプタ2に置かれた化合物半導体基
板3上に例えばInGaAsなどの化合物半導体単結晶
薄膜を良好に成長させることができる。
【0043】また、水冷ジャケットC1,C3,C5,
C6に対して冷却水を送給し、他の水冷ジャケットC
2,C4に対しては冷却水を送給しないという水冷パタ
ーンによって、反応炉1のカーボンサセプタ2および基
板3に対向する面の温度を80℃付近で制御して図5に
示すようなエピタキシャル膜を成長させたところ表面欠
陥密度を低減させることができた。
【0044】即ち、GaAs基板10上にアンドープG
aAs(un-GaAs)層11を1000nmの厚さ
で成長させ、その表面にn−GaAs層12を100n
mの厚さでエピタキシャル成長させたところ、前記水冷
パターン(II)(全ての水冷ジャケットを水冷するパタ
ーン)でエピタキシャル膜を成長した場合の表面欠陥密
度(>0.6μm2)が200個/cm2以上であったもの
が、100個/cm2以下に減少した。
【0045】この表面欠陥密度の減少は、水冷ジャケッ
トC1,C3,C5,C6にのみ冷却水を送給するとい
う水冷パターンを用いることにより、反応炉1のカーボ
ンサセプタ2および基板3に対向する面の温度が高くな
るように調整されるため、この対向面への析出物の付着
が減少し、また析出物が付着しても再蒸発するので、析
出物が薄膜形成後の基板3上へ落下することが未然に防
止されるという効果に基づくものである。
【0046】なお、本実施形態では、化合物半導体基板
上に化合物半導体単結晶薄膜を成長させる例について説
明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、
Si基板,ガラス基板,セラミック基板などに化合物半
導体以外の半導体や、半導体以外の酸化物や金属などの
薄膜を成長させる場合にも適用可能である。
【0047】また、気相成長方法としてMOCVD法を
例にとったが、これに限定されるものではなく、クロラ
イドCVD,ハライドCVD,蒸着,分子線エピタキシ
ー(MBE)などの気相成長方法やこれを適用した気相
成長装置にも適用可能である。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、薄膜を気相成長させる
ための反応炉内に設けられるサセプタ上に基板を載置
し、その基板表面に原料となるガスを供給して薄膜を形
成する気相成長方法であって、前記反応炉の冷却系を前
記サセプタに対向する位置に同心円状に分割して配置
し、当該各冷却系へ流通させる冷却媒体の流量と温度の
少なくとも何れかを制御することにより、反応炉内の温
度プロファイルを適宜調整するようにしたので、分割さ
れた各冷却系における冷却媒体の流量と温度の少なくと
も何れかを制御することで反応炉内の温度プロファイル
を調整し、基板上の薄膜成長温度を最適に制御して表面
状態、電気的特性、光学的特性に優れた薄膜を成長させ
ることが可能となるという効果がある。
【0049】また、分割された各冷却系における冷却媒
体の流量と温度の少なくとも何れかを適当に制御するこ
とにより、基板の対向面を高温に保って析出物を再蒸発
させることが可能となり、析出物の基板上への落下を未
然に防止して薄膜の表面欠陥密度を減少させることがで
きるという効果がある。
【0050】また、本出願に係る第2の発明は、薄膜を
気相成長させるための反応炉内に設けられるサセプタ上
に基板を載置し、その基板表面に原料となるガスを供給
して薄膜を形成する気相成長装置において、前記サセプ
タと対向する位置に、同心円状に分割された冷却流路が
形成され、各冷却流路へ流通させる冷却媒体の流量と温
度の少なくとも何れかを制御して、反応炉内の温度プロ
ファイルを適宜調整する冷却制御装置が設けられる構成
となっているので、冷却制御装置によって分割された各
冷却流路における冷却媒体の流量と温度の少なくとも何
れかを制御することで反応炉内の温度プロファイルを調
整することができ、基板上の薄膜成長温度を最適に制御
して表面状態、電気的特性、光学的特性に優れた薄膜を
成長させることができるという効果がある。
【0051】特に、各冷却流路のそれぞれについて独立
して冷却媒体の流量と温度の少なくとも何れかを制御す
るならば、より自由度の高い温度プロファイルの制御を
実現することができるという効果がある。
【0052】また、前記冷却流路を水冷ジャケットで構
成するならば、従来の水冷装置に置換するだけで容易に
反応炉の温度プロファイルの調整を行なうことができる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る気相成長方法を適用した縦型フェ
ースアップ多数枚MOCVD装置の概略平面図である。
【図2】本発明に係る気相成長方法を適用した縦型フェ
ースアップ多数枚MOCVD装置の概略側方断面図であ
る。
【図3】図1,図2の縦型フェースアップ多数枚MOC
VD装置における水冷パターンと温度プロファイルとの
関係を示すグラフである。
【図4】図1,図2の縦型フェースアップ多数枚MOC
VD装置における他の水冷パターンと温度プロファイル
との関係を示すグラフである。
【図5】図1,図2の縦型フェースアップ多数枚MOC
VD装置によって形成したエピタキシャル膜の例を示す
断面図である。
【符号の説明】
R 縦型フェースアップ多数枚MOCVD装置 1 反応炉 2 カーボンサセプタ 3 基板 4 ランプヒータ 5 ガス導入管 C1〜C6 水冷ジャケット

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄膜を気相成長させるための反応炉内に設
    けられるサセプタ上に基板を載置し、その基板表面に原
    料となるガスを供給して薄膜を形成する気相成長方法で
    あって、 前記反応炉の冷却系を前記サセプタに対向する位置に同
    心円状に分割して配置し、当該各冷却系へ流通させる冷
    却媒体の流量と温度の少なくとも何れかを制御すること
    により、反応炉内の温度プロファイルを適宜調整するよ
    うにしたことを特徴とする気相成長方法。
  2. 【請求項2】薄膜を気相成長させるための反応炉内に設
    けられるサセプタ上に基板を載置し、その基板表面に原
    料となるガスを供給して薄膜を形成する気相成長装置に
    おいて、 前記サセプタと対向する位置に、同心円状に分割された
    冷却流路が形成され、 各冷却流路へ流通させる冷却媒体の流量と温度の少なく
    とも何れかを制御して、反応炉内の温度プロファイルを
    適宜調整する冷却制御装置が設けられていることを特徴
    とする気相成長装置。
  3. 【請求項3】前記冷却流路は、水冷ジャケットで構成さ
    れていることを特徴とする請求項2記載の気相成長装
    置。
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