JP2005243766A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フローチャンネルとサセプタとの間から気相原料が漏洩することを抑制できるとともに、サセプタ周辺部の温度低下も解消することが可能な気相成長装置を提供する。
【解決手段】上面に基板を載置した円形のサセプタ１２の上部をフローチャンネル１８の底壁に形成した円形開口部１９に挿入し、前記サセプタ１２を回転させながら該サセプタを介して前記基板を加熱するとともに、前記フローチャンネル１８内に気相原料を供給して前記基板上に薄膜を堆積させる気相成長装置において、前記サセプタ１２の外周に、フローチャンネルの底面に平行な方向の鍔部を突設する。この鍔部は、前記サセプタ１２とは別に形成された環状の鍔部材２２を、前記サセプタ１２の外周に設けられた段部２１上に着脱可能に載置して形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、気相原料を供給して基板の表面に半導体薄膜を形成する気相成長装置であって、特に、ＧａＮ等の窒化物系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のサセプタ周辺部の構造に関する。

発光ダイオードやレーザダイオードの発光デバイスに用いられる化合物半導体等の薄膜を製造するための気相成長装置として、フローチャンネル内に基板面を水平方向に向けて設置し、この基板をサセプタを介して加熱した状態で基板表面に気相原料を供給することにより、基板上に半導体薄膜を形成する気相成長装置が知られている。前記サセプタは、一般に横断面形状が円形に形成されており、フローチャンネルの底壁には、基板を載置したサセプタをフローチャンネル内に挿入するための円形開口部が形成されている。

気相成長中のサセプタは、基板上の薄膜の膜厚を平均化する目的で回転するため、フローチャンネルの円形開口部内周面とサセプタ外周面との間には、回転するサセプタがフローチャンネルに接触することがないように、ある程度余裕を持った隙間が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−２８３３３９号公報

上述のように、フローチャンネルとサセプタとの間に隙間があると、その隙間から気相原料が漏洩し、サセプタを加熱するヒーターや、サセプタを回転させるための回転機構等の思わぬ部分に反応生成物や分解生成物が付着して異常成長することがあるので、頻繁にメンテナンスを行って付着物を除去する必要が生じ、さらには装置の寿命を短くする要因ともなっていた。このため、両者間の隙間を狭くして気相原料の漏洩量を少なくすることも試みられているが、サセプタ等の熱膨張、部材組立時の嵌め合いのズレ等に起因するサセプタの偏芯を考慮すると、隙間を現状よりも狭くするとは極めて困難である。さらに、サセプタが偏芯すると、その周囲の隙間も不均一となり、漏洩量も不均一となるので、基板上の気相原料の流れにも影響を及ぼし、薄膜の面内均一性を悪化させる原因となっていた。

また、前記特許文献１では、サセプタ周辺部の温度低下を防止するため、サセプタ周辺部に予備加熱手段を設けて加熱することにより、基板上でのガス流れを安定化させているが、この予備加熱手段を設置するためには、装置の構造が複雑になったり、大型化したりするなどの問題があり、装置コストも上昇することになる。特に、ＧａＮ等の窒化物系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では、気相原料の使用量が比較的多いため、サセプタ上流側の温度が低下しやすい傾向があった。

そこで本発明は、フローチャンネルとサセプタとの間から気相原料が漏洩することを抑制できるとともに、サセプタ周辺部の温度低下も解消することが可能な気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、上面に基板を載置した円形のサセプタの上部をフローチャンネルの底壁に形成した円形開口部に挿入し、前記サセプタを回転させながら該サセプタを介して基板を加熱するとともに、前記フローチャンネル内に気相原料を供給して前記基板上に薄膜を堆積させる気相成長装置において、前記サセプタの外周に、フローチャンネルの底面に平行な方向の鍔部を突設したことを特徴としている。

さらに、前記基板が基板ホルダを介して前記サセプタの上面に載置され、前記鍔部が前記基板ホルダの外周下部を突設したものであることを特徴としている。また、前記鍔部が前記サセプタとは別に形成された環状の鍔部材からなり、該鍔部材が前記サセプタの外周に設けられた段部上に着脱可能に載置されることを特徴としている。さらに、前記サセプタの外周下部をフローチャンネルの円形開口部の直径より大径に形成したこと、前記基板上に堆積させる薄膜が窒化物系化合物半導体薄膜であることを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、フローチャンネルの円形開口部内周面とサセプタ外周面との間から漏洩した気相原料は、フローチャンネルの底面と鍔部上面との間に形成される隙間を通って流れることになり、気相原料の流路総面積が大きくなるので、流体のコンダクタンスが小さくなって気相原料の漏洩を抑えることができる。これにより、装置のメンテナンス周期を延ばすことができ、装置の寿命を長くすることができる。さらに、鍔部によってサセプタ周辺部の温度低下を抑えることもできるので、基板に供給する気相原料の流れなどが安定化して薄膜の面内分布も向上する。また、フローチャンネルの円形開口部内周面とサセプタ外周面との隙間は従来と同様に設定できるので、サセプタが偏芯しても回転中にフローチャンネルの円形開口部内周面とサセプタ外周面とが接触することはない。

図１乃至図３は、本発明の気相成長装置の一形態例を示すもので、図１は断面正面図、図２はフローチャンネルの底壁部分を示す断面平面図、図３はフローチャンネルを省略した平面図である。

基板１１を載置するサセプタ１２は、サセプタ支持軸１３の上端に支持された円盤状のものであって、その裏面部分には、サセプタ１２を介して基板１１を所定温度に加熱するためのヒーター１４が設けられている。また、サセプタ１２の下部やヒーター１４の周囲には、ヒーター１４の熱をサセプタ１２に効率よく伝えるための箱型のリフレクター１５が設けられており、リフレクター１５の底板には、前記サセプタ支持軸１３の貫通孔が設けられるとともに、ヒーター１４に電力を供給する電極ロッド１６が貫通しており、さらに、リフレクター１５にヒーター１４を固定するための支持部材１７が設けられている。

気相成長時のサセプタ１２の上部は、基板１１の表面（成膜面）がフローチャンネル１８の底壁上面と略面一になるように、フローチャンネル１８の底壁に形成された円形開口部１９に挿入された状態となる。この状態で、ヒーター１４によって基板１１を所定温度に加熱しながら、サセプタ支持軸１３によってサセプタ１２を所定速度で回転させるとともに、フローチャンネル１８内に所定の気相原料を供給することにより、基板１１上に所定の半導体薄膜を堆積させる。

そして、前記サセプタ１２の外周面は、上半部よりも下半部を大径として外周面中間部に段部２１を設けており、この段部２１に環状の鍔部材２２を載置している。この鍔部材２２は、その上面がフローチャンネル１８の底面１８ａと平行な方向になるように突出した状態で着脱可能に設けられており、鍔部材２２の上面とフローチャンネル１８の底面１８ａとの間には、サセプタ１２等の熱膨張、部材組立時の嵌め合いのズレ等が生じても両者が接触しない程度で、できるだけ狭い状態の隙間２３が形成されるようにしている。

前記鍔部材２２は、気相原料に対して安定であり、高温での熱変形が少ない材料、例えば、炭化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナセラミックス等で形成することが好ましい。さらに、フローチャンネル１８の材料、例えば、石英ガラス等に比べて柔らかい材料、例えば窒化ホウ素等を用いることにより、フローチャンネル１８等の構成部材が鍔部材２２に直接あるいは反応生成物等を介して接触したときも、フローチャンネル１８等の高価で交換が困難な構成部材を傷付けることなく、これらを保護することができる。加えて、フローチャンネル１８等に比べて安価に得られる鍔部材２２を選択することにより、保守コスト等の削減も図れる。また、鍔部材２２の熱伝導や放射率を適当に選択することにより、サセプタ１２の上流側における気相原料の温度を制御することも可能となる。

このような鍔部材２２を設けることにより、フローチャンネル１８の円形開口部１９の内周面とサセプタ１２の上部外周面との間から漏洩した気相原料は、フローチャンネル１８の底面１８ａと鍔部材２２の上面とが重なった円環状の隙間２３を通って流れることになるので、気相原料の流路総面積が大きくなって流体のコンダクタンスが小さくなり、この隙間２３部分からの気相原料の漏洩を抑制することができる。また、サセプタ１２が偏芯して円形開口部１９との間の隙間が不均一になっても、鍔部材２２による漏洩抑制効果によって漏洩量が不均一になることを防止できるので、基板上の気相原料の流れが乱れることがなくなり、薄膜の面内均一性を向上させることができる。

したがって、フローチャンネル１８とサセプタ１２との間の隙間から気相原料が漏洩し、ヒーター１４やリフレクター１５、サセプタ支持軸１３等の各種構成部材上に反応生成物や分解生成物が付着して異常成長することがなくなり、これらに付着した反応生成物等を除去するためのメンテナンス周期を長くできるので、薄膜の生産効率を向上できるとともに装置寿命の延長も図れる。さらに、鍔部材２２に反応生成物等が付着した場合や、フローチャンネル１８等の構成部材に接触して鍔部材２２が傷付いた場合でも、装置の運転を中断することなく、サセプタ１２上の基板１１を交換する際に鍔部材２２も同時に交換することが可能であるから、他の構成部材の交換に比べて容易に行うことができる。このとき、フローチャンネル１８の底面１８ａに付着した反応生成物等との接触による鍔部材２２の傷付き状態を確認することにより、フローチャンネル１８の底面１８ａを含むフローチャンネル１８等への反応生成物等の付着量を推定できるので、フローチャンネル１８等の洗浄時期を知ることができる。

また、フローチャンネル１８のサセプタ周辺部、すなわち、円形開口部１９の周囲は、サセプタ１２を介して加熱される鍔部材２２によって加熱されることになるので、サセプタ周辺部の温度低下も抑制される。特に、サセプタ上流側の温度低下が抑制されることから、気相原料の使用量が比較的多い有機金属気相成長装置でも、基板のサセプタ外周部に位置する箇所のモフォロジーを改善したり、面内分布を向上させたりすることができる。しかも、サセプタ周辺部に予備加熱手段を設ける必要がなく、既存の装置にも容易に適用可能である。

このように、本形態例によれば、サセプタ部分からのガス漏洩の抑制とサセプタ周辺部の温度低下の抑制とを簡単に得ることができる。さらに、サセプタ１２の外周下部をより大径とし、例えば円形開口部１９の直径より大径に形成し、ヒーター１４もサセプタ１２の下部形状に対応した大きさとしておくことにより、円形開口部１９の周囲をより確実に加熱することができる。なお、ガス漏洩の抑制のみを図る場合、あるいは、サセプタ周辺部の温度を低くしておきたい場合は、前述のような段部２１を設けずに、鍔部材２２を載置可能な複数の突起をサセプタ１２の外周に設けておくようにしてもよい。

また、図示は省略するが、鍔部材２２をサセプタ１２とは別に形成せず、サセプタ１２の外周に鍔部として一体形成することもできる。さらに、基板１１を基板ホルダを介してサセプタ１２に載置する場合には、基板ホルダの外周を前記鍔部材２２と同様にフローチャンネル１８の底面１８ａと平行な方向に鍔状に突設するようにしてもよい。

図４及び図５は、本発明の気相成長装置の変形例を示すもので、図４は断面正面図、図５はフローチャンネルを省略した平面図である。なお、以下の説明において、前記形態例で示した気相成長装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例は、リフレクター１５がサセプタ１２と同心円形状に形成されている場合の鍔部材の形状例を示すものである。すなわち、本形態例に示す鍔部材２５は、サセプタ１２の外周に設けた段部２１に載置されるとともに、上面がフローチャンネル１８の底面１８ａと平行な方向になるように形成した水平部２６と、該水平部２６の外周からリフレクター１５の外周面に沿う方向に下方に垂直に屈曲した垂直部２７とで形成され、断面形状がＬ字状の環状体としている。

これにより、垂直部２７とリフレクター１５の外周面との間にガスの流通を抑制する隙間２８を形成できるので、前記形態例で得られる効果に加えて、リフレクター１５内への気相原料の侵入を抑制できる。したがって、リフレクター１５内面やヒーター１４等に反応生成物等が付着することを防止できる。

本発明の気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。 フローチャンネルの底壁部分を示す断面平面図である。 フローチャンネルを省略した平面図である。 本発明の気相成長装置の変形例を示す断面正面図である。 フローチャンネルを省略した平面図である。

符号の説明

１１…基板、１２…サセプタ、１３…サセプタ支持軸、１４…ヒーター、１５…リフレクター、１６…電極ロッド、１７…支持部材、１８…フローチャンネル、１８ａ…底面、１９…円形開口部、２１…段部、２２…鍔部材、２３…隙間、２５…鍔部材、２６…水平部、２７…垂直部

Claims (6)

1. 上面に基板を載置した円形のサセプタの上部をフローチャンネルの底壁に形成した円形開口部に挿入し、前記サセプタを回転させながら該サセプタを介して基板を加熱するとともに、前記フローチャンネル内に気相原料を供給して前記基板上に薄膜を堆積させる気相成長装置において、前記サセプタの外周に、フローチャンネルの底面に平行な方向の鍔部を突設したことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記基板は、基板ホルダを介して前記サセプタの上面に載置されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記鍔部は、前記基板ホルダの外周下部を突設したものであることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記鍔部は、前記サセプタとは別に形成された環状の鍔部材からなり、該鍔部材は、前記サセプタの外周に設けられた段部上に着脱可能に載置されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
5. 前記サセプタは、その外周下部をフローチャンネルの円形開口部の直径より大径に形成したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
6. 前記基板上に堆積させる薄膜が、窒化物系化合物半導体薄膜であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。

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