JP2011222739A

JP2011222739A - 気相成長装置

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Publication number: JP2011222739A
Application number: JP2010090176A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamaguchi; 晃山口
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP5432041B2

Abstract

【課題】簡単な構造で基板温度を容易に調整することができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】サセプタ１６の上面に形成した基板載置部２１ａに載置した基板２０をサセプタ下方のヒータ１４によって加熱する気相成長装置において、前記サセプタを、前記基板載置部を有する上部サセプタ部材２１と、前記加熱手段によって加熱される下部サセプタ部材２２とに分割形成して上部サセプタ部材の下面と下部サセプタ部材の上面との間に伝熱量調整用の空間部を形成するとともに、前記空間部の寸法を調節して下部サセプタ部材から上部サセプタ部材への伝熱量を調節する伝熱量調整部を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、サセプタを介して加熱された基板上に薄膜を気相成長させる気相成長装置に関する。

青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び紫外レーザーダイオードの材料となる窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体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では、有機金属及びアンモニアを原料として水素又は窒素をキャリアガスとした原料ガスを加熱した基板上に供給し、基板面にＧａＮ系薄膜を気相成長させている。

このような気相成長装置として、基板面における原料ガスの状態等の処理条件を均一にするため、基板を公転させながら自転させる自公転型の気相成長装置が知られている。さらに、ＧａＮ系薄膜は成膜温度によって大きな影響を受けるため、複数の基板を同時に処理する場合に、基板とサセプタとの間に調整板を介在させたり、サセプタを上下に分割して分割面に高さ調整用のスペーサリングを配置し、調整板やスペーサリングの厚さを調節することによって複数の基板温度の均一化を図ることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−１８８２８９号公報

しかし、調整板やスペーサリングは、これらの厚さが１ｍｍ程度で極めて薄いため、これらの製作に手間がかかるだけでなく、これらをサセプタに装着したり、取り外したりする際の取り扱いにも注意が必要だった。

そこで本発明は、簡単な構造で基板温度を容易に調整することができる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、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの上面に設けられた基板載置部と、前記チャンバー内に原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーの反原料ガス導入部側に設けられた排気部と、前記基板載置部に載置された基板を前記サセプタの下面側から加熱する加熱手段とを備え、前記サセプタの回転に伴って前記基板を回転させるとともに、前記原料ガス導入部から原料ガスを導入して前記加熱手段により加熱された基板の上面に薄膜を気相成長させる気相成長装置において、前記サセプタは、前記基板載置部を有する上部サセプタ部材と、前記加熱手段によって加熱される下部サセプタ部材と、前記上部サセプタ部材の下面と前記下部サセプタ部材の上面との間に形成される空間部の寸法を調節して下部サセプタ部材から上部サセプタ部材への伝熱量を調節する伝熱量調整部とを備えていることを特徴としている。

また、本発明の気相成長装置は、前記サセプタが、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタ支持部材の外周部の周方向に複数個が等間隔で回転可能に設けられ、前記サセプタ支持部材の回転に伴い、サセプタ支持部材の中心軸を中心として公転するとともに、サセプタ中心軸を中心として自転することを特徴としている。

さらに、前記サセプタの伝熱量調整部は、前記基板載置部の外周側の上部サセプタ部材の外周部下面と、該上部サセプタ部材の下面に対向する前記下部サセプタ部材の外周部上面とのいずれか一方の面に、他方の面に向かう突出寸法が異なる階段状当接面を有する階段部を周方向に複数形成するとともに、他方の面には、前記複数の階段部における突出寸法が同一の各階段状当接面に当接する複数の突出面を形成し、前記階段状当接面のいずれか一つの当接面と前記突出面とを当接させた際の階段状当接面の突出寸法によって前記上部サセプタ部材の下面と前記下部サセプタ部材の上面との間隔が調節可能となってい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、上部サセプタ部材の下面と下部サセプタ部材の上面との間に形成される空間部の寸法を大きくすることによって基板温度を下げることができ、空間部の寸法を小さくすることによって基板温度を上げることができる。これにより、一度に複数の基板に薄膜を成長させる際の各基板の温度を均一化することができ、温度条件が厳しいＧａＮ系薄膜も効率よく気相成長させることができる。また、上部サセプタ部材及び下部サセプタ部材は、数ｍｍ以上の厚さで形成することができるので、製作も容易であり、取扱中に破損することもほとんどない。

本発明の気相成長装置の第１形態例を示す断面図である。サセプタの伝熱量調整部の説明図である。伝熱量調整部による寸法調整の説明図である。伝熱量調整部の第２形態例を示すサセプタの断面図である。伝熱量調整部の第３形態例を示すサセプタの断面図である。伝熱量調整部の第４形態例を示すサセプタの断面図である。

本形態例に示す気相成長装置は、上部中央にガス導入部１１を配設した偏平円筒状のチャンバー１２内に回転可能に設けられた大径円盤状のサセプタ支持部材１３と、該サセプタ支持部材１３の下方にリング状に設けられた加熱手段であるヒーター１４と、サセプタ支持部材１３の外周部に多数のボール１５を介して回転可能な状態で周方向に等間隔で設けられた複数のサセプタ１６と、前記チャンバー１２の外周部に設けられた内歯車部材１７と、前記チャンバー１２の外周に設けられた排気通路１８と、サセプタ支持部材１３を回転させる駆動軸１９とを備えた自公転型の気相成長装置である。

前記サセプタ１６は、上面に基板２０を載置する基板載置部２１ａを有するとともに、外周に前記内歯車部材１７に歯合する外歯車２１ｂを有する上部サセプタ部材２１と、下面に前記ボール１５をガイドするリング状のガイド溝２２ａを有し、下方から前記ヒーター１４によって加熱される下部サセプタ部材２２と、上部サセプタ部材２１の下面外周部と下部サセプタ部材２２の上面外周部とに対向して設けられた伝熱量調整部２３とで形成されている。

本形態例に示す伝熱量調整部２３は、下部サセプタ部材２２から上部サセプタ部材２１への伝熱量を３段階に調節可能に形成したものであって、前記基板載置部２１ａの外周側の上部サセプタ部材２１の外周部下面と、該上部サセプタ部材２１の外周部下面に対向する前記下部サセプタ部材２２の外周部上面との双方に、対向する下部サセプタ部材２２の外周部上面又は上部サセプタ部材２１の外周部下面に向かう突出寸法を３段階に異なる寸法とし、開き角度を４０度に設定した円弧状の階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを有する階段部２４を１２０度の位相差で３組形成した構造を有している。この伝熱量調整部２３は、各階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃの当接状態を変更することにより、上部サセプタ部材２１の伝熱量調整部２３の内周側に位置する下面中央部と、同じく伝熱量調整部２３の内周側に位置する下部サセプタ部材２２の上面中央部との間に形成される空間部の大きさを調節することができるようにしている。

すなわち、図３（ａ）に示すように、上部サセプタ部材２１の突出寸法が小さい階段状当接面２４ａと下部サセプタ部材２２の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃ、上部サセプタ部材２１の突出寸法が中間の階段状当接面２４ｂと上部サセプタ部材２１の突出寸法が中間の階段状当接面２４ｂ、上部サセプタ部材２１の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃと下部サセプタ部材２２の突出寸法が小さい階段状当接面２４ａとをそれぞれ当接させた状態では、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間隔が最も接近した状態となり、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部とが当接した状態あるいは僅かな空間が形成された状態となる。

また、図３（ｂ）に示すように、上部サセプタ部材２１の突出寸法が中間の階段状当接面２４ｂと下部サセプタ部材２２の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃ、上部サセプタ部材２１の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃと下部サセプタ部材２２の突出寸法が中間の階段状当接面２４ｂとをそれぞれ当接させた状態にすると、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間隔が図３（ａ）に示す状態の間隔より開いた状態になる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、上部サセプタ部材２１の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃと下部サセプタ部材２２の突出寸法が大きい階段状当接面２４ｃとを当接させた状態にすると、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間隔が図３（ｂ）に示す状態の間隔よりも更に大きくなって最も大きい空間が形成された状態となる。

このように、階段部２４における階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃの当接状態を変更して上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間に形成される空間の大きさを変えることにより、下部サセプタ部材２２から上部サセプタ部材２１への伝熱量を調節することができる。すなわち、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間隔を小さくすると伝熱量を多くすることができ、上部サセプタ部材２１の下面中央部と下部サセプタ部材２２の上面中央部との間隔を大きくすると伝熱量を少なくすることができる。

したがって、サセプタ支持部材１３に支持される複数のサセプタ１６の基板載置部２１ａにそれぞれ載置されている各基板２０の温度が異なっている場合、基板２０の温度が目標温度に比べて低いときには、図３（ａ）に示すように上部サセプタ部材２１と下部サセプタ部材２２とを接近させた状態にすることにより伝熱量を多くして基板２０の温度を高くすることができ、基板２０の温度が目標温度に比べて高いときには図３（ｃ）に示すように上部サセプタ部材２１と下部サセプタ部材２２とを離れた状態にすることにより伝熱量を少なくして基板２０の温度を低くすることができる。

これにより、サセプタ１６の各部の製作誤差や長時間の使用による消耗などでヒーター１４から下部サセプタ部材２２及び上部サセプタ部材２１を介して加熱される基板２０の温度が異なった場合でも、階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃの当接状態を変更して下部サセプタ部材２２から上部サセプタ部材２１への伝熱量を調整することにより、気相成長操作中の複数の基板２０の温度差を小さくすることができるなるので、均一な温度条件で薄膜を気相成長させることができる。

階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃの突出寸法差は、基板加熱温度やサセプタ１６の構造、階段状当接面の段差数などの条件に応じて適宜設定することができるが、通常は、０．１〜０．５ｍｍ程度が適当である。また、本形態例に示すように、階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを等間隔で３組設けることにより、階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを介して下部サセプタ部材２２の上に載置された状態となる上部サセプタ部材２１を安定した状態とすることができるとともに、伝熱量調整部２３の加工工数も最小とすることができる。

なお、本形態例では、上部サセプタ部材２１及び下部サセプタ部材２２の双方に階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを設けているが、階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃを上部サセプタ部材２１及び下部サセプタ部材２２の一方に設け、他方には突出寸法が最大の階段状当接面２４ｃと同じ突出寸法あるいは大きな突出寸法を有する突出面を１２０度の等間隔で３カ所に突設し、該突出面を階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃのいずれかに当接させることで上部サセプタ部材２１と下部サセプタ部材２２との間隔を調節するように形成することもできる。

図４の第２形態例に示すサセプタは、階段部２４の当接面に凹凸係合部２５を設け、前記階段状当接面２４ａ，２４ｂ，２４ｃをそれぞれ当接させたときの上部サセプタ部材２１と下部サセプタ部材２２との位置ずれを防止し、サセプタを逆回転することも可能な構造としたものである。

図５の第３形態例に示すサセプタは、下部サセプタ部材２２の上面にドーム状凹部２６を形成し、外周部に比べて相対的に伝熱量が多くなるサセプタ中央部２６ａにおける上下サセプタ部材間の間隔を、サセプタ外周部２６ｂにおける上下サセプタ部材間の間隔より広くすることによってサセプタ径方向における基板２０の温度分布を小さくしたものである。このようなドーム状凹部２６は、下部サセプタ部材２２の上面ではなく、上部サセプタ部材２１の下面に形成することもでき、図６の第４形態例に示すように、上部サセプタ部材２１の下面と下部サセプタ部材２２の上面との双方にドーム状凹部２６をそれぞれ形成することもできる。ドーム状凹部２６の形状は、サセプタの直径などの条件に応じて適宜設定することができる。

なお、気相成長装置の構造や基板を自公転させる構造は特に限定されるものではなく、処理する基板の大きさや気相成長させる薄膜の種類などの条件に応じて適宜最適な構造を採用することが可能である。また、本発明は、自公転型の気相成長装置に限らず、基板を公転させるだけの構造を有するサセプタを備えた気相成長装置にも適用可能である。さらに、前述のような階段部を設けずに、上部サセプタ部材の下面又は下部サセプタ部材の上面に伝熱量調整部となるリング状の支持部を突設し、この支持部を介して上部サセプタ部材を支持し、支持部先端面を削ったりして支持部突出寸法を変えることにより、上部サセプタ部材と下部サセプタ部材との間に形成される空間部の大きさを調節して伝熱量を最適化することも可能である。

１１…ガス導入部、１２…チャンバー、１３…サセプタ支持部材、１４…ヒーター、１５…ボール、１６…サセプタ、１７…内歯車部材、１８…排気通路、１９…駆動軸、２０…基板、２１…上部サセプタ部材、２１ａ…基板載置部、２１ｂ…外歯車、２２…下部サセプタ部材、２２ａ…ガイド溝、２３…伝熱量調整部、２４…階段部、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…階段状当接面、２５…凹凸係合部、２６…ドーム状凹部

Claims

チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの上面に設けられた基板載置部と、前記チャンバー内に原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーの反原料ガス導入部側に設けられた排気部と、前記基板載置部に載置された基板を前記サセプタの下面側から加熱する加熱手段とを備え、前記サセプタの回転に伴って前記基板を回転させるとともに、前記原料ガス導入部から原料ガスを導入して前記加熱手段により加熱された基板の上面に薄膜を気相成長させる気相成長装置において、前記サセプタは、前記基板載置部を有する上部サセプタ部材と、前記加熱手段によって加熱される下部サセプタ部材と、前記上部サセプタ部材の下面と前記下部サセプタ部材の上面との間に形成される空間部の寸法を調節して下部サセプタ部材から上部サセプタ部材への伝熱量を調節する伝熱量調整部とを備えていることを特徴とする気相成長装置。
前記サセプタは、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタ支持部材の外周部の周方向に複数個が等間隔で回転可能に設けられ、前記サセプタ支持部材の回転に伴い、サセプタ支持部材の中心軸を中心として公転するとともに、サセプタ中心軸を中心として自転することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記サセプタの伝熱量調整部は、前記基板載置部の外周側の上部サセプタ部材の外周部下面と、該上部サセプタ部材の下面に対向する前記下部サセプタ部材の外周部上面とのいずれか一方の面に、他方の面に向かう突出寸法が異なる階段状当接面を有する階段部を周方向に複数形成するとともに、他方の面には、前記複数の階段部における突出寸法が同一の各階段状当接面に当接する複数の突出面を形成し、前記階段状当接面のいずれか一つの当接面と前記突出面とを当接させた際の階段状当接面の突出寸法によって前記上部サセプタ部材の下面と前記下部サセプタ部材の上面との間隔が調節可能となっていることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。