JP5169097B2 - 半導体装置の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置の製造装置および製造方法に関し、特に、基板を加熱して製造する半導体装置の製造装置および製造方法に関する。

光デバイスや電子デバイスなどの半導体装置を製造する場合には、一般に半導体基板をチャンバ（反応室）内で加熱し、加熱の間に様々な化学および物理処理を実行する。たとえば、基板上へのエピタキシャル膜の形成は、チャンバ内に原料ガスを供給し、加熱された基板の表面に原料ガス成分を原料とした膜をエピタキシャル成長させることにより行なわれる。このような場合には、チャンバ内での基板の温度分布を小さくすることが、高品質な膜を基板上に均一に形成させるために重要である。すなわち、基板の温度分布の均一化が、半導体装置の信頼性および品質の確保、ならびに歩留り向上のため、重要視されている。

基板の温度分布を均一化するため、従来様々な技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１では、サセプタ上に、比較的低い熱伝導率を有する材料から作られており特定の高さを有する、支持構造体を含み、基板を当該支持構造体に懸架することによって、高い温度の処理の間に基板に生じる温度勾配を抑制する技術が開示されている。
特表２００５−５３０３３５号公報

特許文献１に開示の技術では、支持構造体を介した熱流束が、基板とサセプタとの間の隙間のガスを介した熱流束よりも大きくなりやすい。そのため、基板のリング状の支持構造体に接触する部分の温度が高くなり、その結果基板の外周部で温度が高く中心部で温度が低くなるという、温度分布がつきやすい、という問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、基板の温度分布を均一化することのできる、半導体装置の製造装置および製造方法を提供することである。

この発明に係る半導体装置の製造装置は、基板を保持するサセプタを備える。また、サセプタの基板を保持する面と反対側の裏面側に設置されている、基板を加熱する加熱部材を備える。また、基板とサセプタとの間に位置し、基板を支持する支持部を有する支持部材を備える。また、サセプタと支持部材との間に位置し、支持部材の支持部が形成されている位置の反対面側において開口部が形成されている、スペーサを備える。スペーサに形成された開口部には、スペーサに対し熱伝導率の低い材料が充填されている。支持部は、基板の外周部を支持する。

この構成によれば、基板は支持部材と全面で接触することがなく、支持部においてのみ接触するので、基板加熱時の反りによって基板と支持部材との接触が一箇所に偏ることはない。また、開口部が形成されているスペーサを使用するので、熱伝導によってサセプタから直接支持部材の支持部に与えられる熱量が、開口部が形成されていない場合と比較して減少している。つまり、支持部材の支持部には、サセプタの裏面側の加熱部材から熱が伝達されにくくなっている。その結果、基板の支持部と接触している部分への熱伝達が減少するので、支持部と接触している部分において基板の温度が高くなり基板に温度分布が生じることを、抑制することができる。したがって、基板の温度分布を均一化することができる。

開口部によって支持部材の支持部が形成されている位置とサセプタとの間に隙間が生じている構成に限らず、開口部に熱伝導率の低い材料が充填されている構成によっても、サセプタの裏面側の加熱部材から支持部材の支持部への熱伝達を減少させることができる。したがって、基板の支持部と接触している部分の温度が高くなり基板に温度分布が生じることを抑制し、基板の温度分布を均一化することができる。

基板の支持部と接触している部分への熱伝達が減少するので基板の温度分布が均一化されるとはいえ、基板の支持部と接触している部分では若干の温度勾配が生じる。通常、半導体装置では基板の外周部はデバイスとして使用しないので、支持部が基板の外周部の有限の幅を有する部分を支持する構成とすれば、基板の支持部と接触している部分に生じる温度勾配がデバイスの性能に影響を与えることを、抑制することができる。

好ましくは、支持部は、少なくとも３箇所の突起によって形成されている。支持部は基板の外周部全体を支持するリング状の形状に形成されていてもよいが、支持部を突起状に形成することによって、基板と支持部材とが接触する面積を減少させることができる。その結果、基板の支持部と接触している部分の温度が高くなることを抑制し、基板の温度分布をより均一化することができる。

この発明に係る半導体装置の製造方法は、上記のいずれかに記載の製造装置を用いる。この製造方法は、サセプタに基板を搭載する工程と、加熱部材により、基板を加熱する工程とを備える。このようにすれば、基板を均一に加熱することができるので、均一に加熱された基板の表面に原料を供給することによって、均一な特性の半導体膜の形成された半導体装置を製造することができる。

好ましくは、半導体は、窒化物系化合物半導体である。窒化物系化合物半導体では、基板表面に形成されるエピタキシャル膜の特性が、成長温度の影響を受けやすい。また、成膜時には窒素やアンモニアなど水素に比べて熱伝導率の小さいガスを多く使用するため、成膜時の雰囲気においてはサセプタと基板との接触による熱伝導によって生じる温度分布の影響を受けやすい。この発明の構成によれば、基板への支持部からの熱伝導を抑制することができるので、基板の支持部と接触している部分の温度が高くなることを抑制し、基板の温度分布を均一化することができる。

また好ましくは、半導体装置は、半導体発光素子である。窒化物系化合物半導体の発光素子は、Ｉｎを含むＩｎＧａＮを活性層とすることが一般的である。ＩｎＧａＮのＩｎ組成は特に成長温度の影響を受けやすい。この発明の構成によれば、基板への支持部からの熱伝導を抑制することができるので、基板の支持部と接触している部分において基板の温度が高くなることを抑制し、基板の温度分布を均一化することができる。

この発明の半導体装置の製造装置および製造方法によれば、基板の温度分布を均一化することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、この発明の半導体装置の製造装置の一例を示す断面模式図である。図１に示すように、この製造装置は気相成長装置であって、チャンバ３の内部に、基板を保持するサセプタ２を備える。サセプタ２の表面には、窪み部であるポケット４が複数個形成されており、ポケット４の内部には、基板が搭載されている。また、サセプタ２の基板が搭載されている側（すなわちサセプタ２にポケット４が形成された表面であって、サセプタ２の基板を保持する面）と反対側の裏面側には、サセプタ２を介在させて基板を加熱する加熱部材としての、ヒータ６が備えられている。ヒータ６は、サセプタ２に固定され保持されている構造とすることができ、またはヒータ６は、サセプタ２とは別に支持されてサセプタ２の裏面側に設置されていてもよい。また、サセプタ２の裏面側の中心部には、支持軸５が設けられている。支持軸５は、図示しない回転式モータによって動力を与えられ回転するようになっており、サセプタ２は支持軸５の回転によって、支持軸５とともに水平方向に回転する。

成膜原料としての原料ガスは、原料供給部としての原料ガス供給口７から、矢印ＩＧに示すように、チャンバ３内に供給される。原料ガスがチャンバ３内で基板の表面に供給されることにより、ヒータ６によって加熱された状態の基板の表面に、半導体膜（エピタキシャル膜）が形成される。半導体膜を形成した後の原料ガスは、排気口８から、矢印ＯＧに示すように排出される。

図２は、図１に示すサセプタの上面図である。図２には、図１に示すサセプタ２を、図１の上側から見た図を示す。図２に示すように、サセプタ２の表面には、窪み部であるポケット４が６箇所形成されている。基板は、ポケット４の内部に搭載されるように、サセプタ２によって保持される。

図３は、基板がサセプタに保持されている状態を示す模式図である。図３に示すように、サセプタ２に形成されたポケット４の内部には、基板１を支持する支持部材１１と、スペーサ１４とが備えられている。支持部材１１は、平面形状が基板１とほぼ同形状に形成され、サセプタ２のポケット４内に配置されており、基板１とサセプタ２との間に位置している。支持部材１１は、基板１を支持する支持部１２を有する。支持部１２は基板１の外周部を支持しており、支持部材１１は支持部１２において基板１の外周部と接触している。支持部１２は支持部材１１の外周部に形成されているために、支持部材１１はその外周部において基板１と接触しており、支持部材１１の中心部側では、基板１と支持部材１１とは接触していない。支持部材１１の支持部１２を除く部分と基板１との間には、隙間１３が形成されている。支持部材１１は、基板１と全面で接触することなく、支持部材１１の一部である支持部１２において基板１と接触している。

スペーサ１４は、サセプタ２のポケット４内において、サセプタ２と支持部材１１との間に位置する。スペーサ１４は、支持部材１１が基板１と対向する面と反対側の面である、支持部材１１の反対面側と接触するように配置されている。またスペーサ１４には、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置（つまり、支持部材１１の外周部）における、支持部材１１の反対面側において、開口部が形成されている。その結果、図３に示すように、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側と、サセプタ２との間には、隙間１５が形成されている。

隙間１５は、熱伝導率の低い気体によって満たされている。そのため、支持部材１１は、支持部１２の形成されている外周部において、サセプタ２からの熱が伝達されにくくなっている。つまり、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置は、サセプタ２と接触していないため、直接サセプタ２から熱伝導による伝熱を受けることがない。そのため、支持部材１１がサセプタ２と接触している場合と比較して、支持部１２の温度は低下している。その結果、支持部１２と基板１とが接触している基板１の外周部への熱伝達が減
少するので、基板１に温度分布が生じることを抑制することができる。すなわち、基板１の外周部の温度が特に高くなって、基板１に大きな温度分布が発生することを抑制することができる。したがって、基板１の温度分布を均一化することができる。隙間１５の幅を調整することにより（つまり、ポケット４の径方向におけるスペーサ１４の寸法を調整することにより）、基板１の表面の温度分布を最適化することができる。

ここで、基板１の外周部への熱伝達が減少するため基板１の温度分布が均一化されるとはいえ、基板１の支持部１２と接触している部分では、若干の温度勾配が生じる。つまり、支持部１２と接触している基板１の外周部は、基板１の中心部側に対して温度が高くなることがある。しかし、通常半導体装置では、基板１の外周部はデバイスとして使用しない。そこで、支持部１２が基板１の外周部を支持する構成とすることによって、基板１の支持部１２と接触している部分に生じた温度勾配がデバイスの性能に影響を与えることを、抑制することができる。

図４は、基板がサセプタに保持されている状態の変形例１を示す模式図である。図４に示す構成では、スペーサ１４がサセプタ２と一体となっている。また図５は、基板がサセプタに保持されている状態の変形例２を示す模式図である。図５に示す構成では、スペーサ１４が支持部材１１と一体となっている。図４および図５に示すような構成でも、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側と、サセプタ２との間には、隙間１５が形成されている。そのため、支持部１２と基板１とが接触している基板１の外周部への熱伝達が減少するので、基板１に温度分布が生じることを抑制し、基板１の温度分布を均一化することができる。

図６は、基板がサセプタに保持されている状態の変形例３を示す模式図である。図６に示す構成では、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側と、サセプタ２との間に、充填材２５が配置されている。充填材２５は、スペーサ１４に対し熱伝導率の低い材料である。つまり、スペーサ１４の開口部には、スペーサ１４に対し熱伝導率の低い材料である、充填材２５が充填されている。

スペーサ１４に形成された開口部によって支持部材１１の支持部１２が形成されている位置とサセプタ２との間に隙間１５が生じている構成に限らず、開口部に熱伝導率の低い充填材２５が充填されている図６の構成によっても、サセプタ２の裏面側のヒータ６から支持部１２への熱伝達を減少させることができる。したがって、基板１の支持部１２と接触している部分の温度が高くなり基板１に温度分布が生じることを抑制し、基板１の温度分布を均一化することができる。

次に、支持部材１１の形状について説明する。図７は、図３〜図６に示す支持部材の一例の平面図である。図７には、図３〜図６に示す支持部材１１を、支持部材１１に基板が載置される側（すなわち、図３〜図６の上側）から見た図を示す。図７に示すように、支持部材１１の外周部には、リング状の支持部１２が形成されている。図７に示す支持部１２は、基板１の外周の全周を支持するような構成となっている。

この場合、スペーサ１４は、支持部１２のリング形状に対応して、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側に開口部が形成されている形状とすることができる。たとえば、スペーサ１４を、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置とサセプタ２との間に、隙間１５を生じさせることのできる形状とすることができる。

ここでスペーサ１４は、支持部１２へのサセプタ２からの熱伝達を抑制することによって、基板１の温度分布を均一化できる効果が得られる形状であればよい。つまり、スペーサ１４は、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側に相当する部分の
、熱伝導率が低くなるような構成とすればよい。たとえば、スペーサ１４を、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側にスペーサ１４が接触する面積を減少させた形状や、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置に相当する部分の空隙率を向上させた形状とすることができる。

より具体的には、図７に示すリング状の支持部１２の内径よりも小さい円板形状など、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置の反対面側にはスペーサ１４が全く接触しないような形状に、スペーサ１４を形成することができる。また、スペーサ１４と支持部材１１とは平面形状において同じ外形であるが、スペーサ１４の外周部には、スペーサ１４を厚み方向に貫通する多数の穴が形成されているような形状に、スペーサ１４を形成することができる。またたとえば、スペーサ１４の、支持部１２が形成されている位置に相当する部分を、表皮材と内部の多孔質材とによって構成することができ、この構成では支持部材１１とスペーサ１４との接触面積は減少していないが、熱伝導率の減少により、支持部１２へのサセプタ２からの熱伝達を抑制する効果を同様に得ることができる。

図８は、図３〜図６に示す支持部材の変形例の平面図である。図８に示す支持部１２は、支持部材１１の外周部に形成された４箇所の突起によって形成されている。図８に示す突起形状の支持部１２は、基板１の外周の４箇所を支持するような構成となっている。このときスペーサ１４は、４箇所の突起形状の支持部１２に対応して、当該４箇所に相当する位置に開口部が形成された形状とすることができる。たとえばスペーサ１４を、円板形状の外周部の４箇所に、切り欠き加工や穴あけ加工を施した形状とすることができる。

支持部１２を突起状に形成することによって、基板１と支持部材１１とが接触する面積を減少させることができる。その結果、基板１が支持部１２と接触している部分において基板１の温度が高くなることを抑制し、基板の温度分布をより均一化することができる。

なお、突起形状の支持部１２の個数は図８に示す４個に限られない。支持部１２としての突起が、支持部材１１の外周部において少なくとも３箇所に形成されていれば、その突起によって基板１の外周部を支持することができる。また、突起の形状も、図８に示す形状に限られるものではなく、たとえば半球形状、円錐台形状、角柱形状など任意の形状とすることができる。

以上説明したように、この発明の半導体装置の製造装置では、基板１は支持部材１１と全面で接触することがなく、支持部１２においてのみ接触する。そのため、基板１加熱時に基板１の反りによって、基板１と支持部材１１との接触が、たとえば基板１の中心部などの、一箇所に偏ることを防止することができる。

また、開口部が形成されているスペーサ１４を使用するので、熱伝導によってサセプタ２から直接支持部１２に与えられる熱量は、開口部が形成されていない場合と比較して減少している。つまり、支持部１２には、サセプタ２の裏面側のヒータ６から熱がより伝達されにくくなっている。たとえば、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置（すなわち、支持部材１１が基板１を支持する位置）の反対面側では、支持部材１１はサセプタ２と接触しておらず、支持部材１１とサセプタ２との間には隙間１５が生じている構成とすることができる。その結果、基板１の支持部１２と接触している部分への熱伝達が減少するので、基板１の支持部１２と接触している部分の温度が高くなり基板１に温度分布が生じることを、抑制することができる。したがって、基板１の温度分布を均一化することができる。

また、支持部１２は、基板１の外周部を支持している。通常、半導体装置では基板１の
外周部はデバイスとして使用しないので、支持部１２が基板１の外周部の有限の幅を有する部分と接触する構成にすることにより、基板１の支持部１２と接触している部分における温度勾配がデバイスの性能に影響を与えることを、抑制することができる。

次に、半導体装置の製造方法について説明する。図９は、この発明の半導体装置の製造方法を示す流れ図である。図９に示すように、まず工程（Ｓ１０）において、処理対象物である基板を準備する。基板の材質としてはたとえば、単結晶Ｓｉ、ＧａＡｓ、サファイア、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮなどを使用することができる。

次に工程（Ｓ２０）において、サセプタに基板を搭載する。具体的には、たとえば図３〜図６に基づいて説明したサセプタ２の表面に形成されたポケット４の内部に、外周部が支持部材１１の支持部１２に接触して支持されるように、基板１を配置する。チャンバ３の内部でサセプタ２に基板１を搭載してもよく、チャンバ３の外部で基板１をサセプタ２に搭載した後にサセプタ２をチャンバ３内に設置してもよい。基板１がチャンバ３の内部においてサセプタ２に搭載された後、チャンバ３の内部の雰囲気条件を所定の条件にする。たとえばチャンバ３内を減圧や加圧することができ、またたとえばチャンバ３内の雰囲気を所定のガスで置換してもよい。

次に工程（Ｓ３０）において、加熱部材により基板を加熱する。具体的には、図１に示す加熱部材としてのヒータ６を駆動する。たとえばヒータ６が抵抗発熱体である場合には、ヒータ６に通電することにより、ヒータ６を加熱する。この結果、サセプタ２を介在させて、基板１が加熱される。

次に工程（Ｓ４０）において、基板の表面に半導体層を形成する。具体的には、図１に示すように、基板１が加熱された状態で、目的とする半導体層の成分を含む原料ガスを、矢印ＩＧのようにチャンバ３内に供給する。これにより、ヒータ６によって加熱された状態の基板１の表面に、原料ガス中の成分を原料として膜が堆積し、半導体層が形成される。半導体層は窒化物系化合物半導体によって形成することができる。たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニア（ＮＨ_３）を含む原料ガス中を供給することによって、基板１の表面にＧａＮをエピタキシャル成長させることができる。またたとえば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧおよびＮＨ_３を含む原料ガス中を供給することによって、ＩｎＧａＮをエピタキシャル成長させることができる。半導体層は、複数の層が積層するように構成されていてもよい。

このとき、支持部材１１とサセプタ２との間に位置するスペーサ１４には、開口部が形成されている。そのため、支持部材１１の支持部１２が形成されている位置へのサセプタ２からの熱伝導による伝熱量は、開口部が形成されていない場合と比較して、相対的に減少している。その結果、支持部１２と基板１とが接触している基板１の外周部における、基板１への熱伝達が減少するので、基板１に温度分布が生じることを抑制することができる。したがって、基板１の温度分布を均一化させた状態で半導体層を形成できるので、基板１の表面に形成される半導体層の膜の品質を向上させることができる。

次に工程（Ｓ５０）において、後処理を実施する。具体的には、工程（Ｓ４０）で基板の表面に形成された半導体層上、または基板の裏面側などに、電極を形成する。このとき、最表面には保護層が形成されていてもよい。さらに、半導体層および電極の形成された半導体基板を、ダイシングなどにより切断し、個々の半導体装置へと個片化する。このようにして、半導体装置の製造が終了する。

図１０および図１１は、半導体装置としての半導体発光素子の例を示す模式図である。図１０に示す半導体発光素子１００では、サファイア基板である基板１上にｎ型窒化物半導体層（たとえばｎ−ＧａＮ：Ｓｉ）１０１、発光層（たとえばＩｎＧａＮ）１０２、ｐ型窒化物半導体層（たとえばｐ−ＧａＮ：Ｍｇ）１０３が積層されている。電気を半導体層１０１〜１０３に流すための電極は、ｐ型窒化物半導体層１０３上に透明電極（たとえばＡｕ／Ｎｉ）１０４とｐ側電極パッド１０５とで構成されているプラス側電極が形成されており、ｎ型窒化物半導体層１０１上にｎ側電極パッド１０６を配置したマイナス側電極が形成されている。さらに、半導体発光素子１００を保護するための保護層（たとえばＳｉＯ_２）１０７が、最表面に形成されている。

図１１に示す半導体発光素子１１０では、ＩＩＩ族窒化物基板（たとえばＧａＮ）である基板１２７を備える。基板１２７の表面上には、ｎ型窒化物半導体層１１３の成長に好適な下地半導体領域を提供するためのバッファ層（たとえばＡｌＧａＮ）１３１を備える。ｎ型窒化物半導体層１１３と、発光層１１７と、ｐ型窒化物半導体層１１５とは、バッファ層１３１を介在させて、順に基板１２７の表面上に配列されている。発光層１１７は、量子井戸構造を有し、ｎ型窒化物半導体層１１３とｐ型窒化物半導体層１１５との間に設けられている。

半導体発光素子１１０は、ｐ型窒化物半導体層１１５上に設けられたコンタクト領域１３３と、コンタクト領域１３３上に設けられたアノード電極１３５とをさらに備える。アノード電極１３５は半透明電極を含んでいてもよい。基板１２７の表面と反対側の裏面には、カソード電極１３７が設けられている。ｎ型窒化物半導体層１１３からは、発光層１１７に電子が供給される。ｐ型窒化物半導体層１１５からは、発光層１１７に正孔が供給される。

以上説明したように、この発明に係る半導体装置の製造方法では、図１〜図８に基づき説明した製造装置を用いている。したがって、加熱する工程（Ｓ３０）において基板１を均一に加熱することができるので、高品質な膜を基板１上に均一に形成させることができる。そのため、均一な特性の半導体装置を製造することができるので、半導体装置の信頼性および品質の確保、ならびに歩留り向上を達成することができる。

基板１の表面上に形成される半導体層が窒化物系化合物半導体である場合、基板１表面に形成される半導体層（エピタキシャル膜）の特性が、成長温度の影響を受けやすい。また、成膜時には窒素やアンモニアなど水素に比べて熱伝導率の小さいガスを多く使用するため、成膜時の雰囲気においてはサセプタ２と基板１との接触による熱伝導によって生じる温度分布の影響を受けやすい。また、半導体装置が半導体発光素子である場合、窒化物系化合物半導体の発光素子はＩｎを含むＩｎＧａＮを活性層とすることが一般的であり、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は特に成長温度の影響を受けやすい。この発明の半導体装置の製造方法では、支持部材１１の支持部１２から基板１への熱伝導を抑制することができるので、基板１の支持部１２と接触している部分において基板１の温度が高くなることを抑制し、基板１の温度分布を均一化することができる。したがって、半導体層や活性層の特性を均一化することができる。

（従来例１）
ポケットの底部が通常のフラットな形状に成形されているサセプタに、ＧａＮ基板をセットし、ＧａＮ基板の表面にエピタキシャル成長させて青色ＬＥＤを作製した。サセプタはＳｉＣコートしたカーボン製で、カーボン製の抵抗加熱ヒータにより加熱される。サセプタは公転を行なう。石英からなる反応管（チャンバ）の中に原料ガスを流し、加熱された基板上に青色ＬＥＤを構成する半導体層をエピタキシャル成長する。ＧａＮ基板は直径２インチで厚みは約０．３５ｍｍのものを用いた。

ＬＥＤのエピタキシャル層の構造は、ＭｇドープＧａＮ（５０ｎｍ）／ＭｇドープＡｌ_０．０７ＧａＮ（２０ｎｍ）／［ＧａＮ（１５ｎｍ）／Ｉｎ_０．１５ＧａＮ（３ｎｍ）］ｘ３／ＳｉドープＩｎ_０．０５ＧａＮ（５０ｎｍ）／ＳｉドープＧａＮ（２μｍ）／ＧａＮ基板である。原料はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、ＭＭＳｉ（モノメチルシラン）、ＮＨ_３（アンモニア）を用い、キャリアガスとして水素と窒素を用いた。成長温度は、［ＧａＮ（１５ｎｍ）／Ｉｎ_０．１５ＧａＮ（３ｎｍ）］ＭＱＷ（Multiple Quantum Well、多重量子井戸）で約７８０℃とし、それ以外の層では１１００℃とした。

図１２は、従来例１のサセプタに基板を充填し加熱した場合を示す模式図である。図１２に示すように、加熱された基板１は、基板１の中心部付近がポケット２０４の底部に接触し、外周部付近がポケット２０４の底部に接触しないように、凹形状に反っている。この反りは、基板１のサセプタ２０２に対向する側の面である裏面と、裏面と反対側の面である表面との、温度差に起因するものであると考えられる。

図１３は、作製した従来例１の青色ＬＥＤのウエハを、フォトルミネッセンス法で基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。図１３には、平面形状円形の基板１の表面を走査したときの、当該円の直径方向の各点におけるＰＬ波長を示している。図１３の横軸は基板１の直径方向の距離（単位：ｍｍ）であり、基板１の中心を２５ｍｍの位置とした場合を示す。図１３の縦軸はＰＬ波長（単位：ｎｍ）を示す。平均波長は４５０ｎｍであった。図１３に示すように、基板１の中心部においてＰＬ波長が短く、外周部でＰＬ波長が長くなっている。これは、基板１が凹に反り、基板１の中心側がサセプタ２０２と接触し外周側で浮いた状態となるために、基板１の中心側の温度が高くなり、その結果ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成が下がり、波長が短くなっていると考えられる。

（従来例２）
従来例１でみられた基板１中心部での基板１とサセプタ２０２との接触を避けるために、ポケット２０４内の外周部に石英製のリングを挿入した。図１４は、従来例２のサセプタに基板を充填し加熱した場合を示す模式図である。図１２に示す従来例１の構成に対し、サセプタ２０２のポケット２０４の内部に、基板１を支持する石英リング２１１が加えられている点で異なるが、その他の構成は従来例１と同じである。石英リング２１１は幅（基板１の径方向であって、図１４に示す左右方向の寸法）を１．０ｍｍとし、厚み（ポケット２０４の深さ方向であって、図１４に示す上下方向の寸法）を０．２ｍｍとした。このサセプタ２０２を用いて、従来例１と同様の基板１表面へのエピタキシャル成長を行なった。

図１５は、作製した従来例２の青色ＬＥＤのウエハを、フォトルミネッセンス法で基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。図１５のグラフに示す各計測点および各座標軸は、図１３と同様である。従来例２では、波長の平均は４８５ｎｍであった。図１５に示すように、基板１の外周部でＰＬ波長が短くなり、従来例１と反対の傾向を示した。外周部においてＰＬ波長が短くなる影響の現れている範囲は、基板１の径方向の約５ｍｍに及んだ。これは、基板１の中心側で基板１とサセプタ２０２とは接触していないため、基板１は中心側の温度が低下し、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成が増加した結果、フォトルミネッセンスの波長も長波長化したと考えられる。一方、基板１の外周部では、基板１は石英リング２１１と接触しているため温度が高くなり、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成が下がり、短波長化したと考えられる。

（従来例３）
従来例２の石英リング２１１を挿入した場合の基板１の表面の温度分布を、輻射熱伝達
計算で導出した。図１６は、従来例３の計算モデルを示す図である。計算は図１６に示すような中心軸対象モデルとし、基板１に関し、その半径に相当する長さ（２５ｍｍ）について、二次元での計算を行なった。サセプタ２０２の、基板１の半径方向に相当する方向の寸法は３０ｍｍとし、基板１の厚み方向に相当する方向の寸法は７．６ｍｍとした。基板１の厚みは０．３５ｍｍとし、石英リング２１１は幅（基板１の径方向の寸法）１．０ｍｍ、厚み（基板１の厚み方向の寸法）０．２ｍｍとした。また、サセプタ２０２の裏面側にあたる辺の温度は１０００℃で一定とし、サセプタ２０２の外周側にあたる辺は断熱されているとした。基板１とサセプタ２０２との隙間には、原料ガスのアンモニアが満たされていると仮定した。

図１７は、従来例３の計算結果を示すグラフである。図１７の横軸には、基板１の中心に相当する点を半径方向の原点（距離０ｍｍ）とし、半径方向外側に向かう各点の原点からの距離を示す。また図１７の縦軸は、基板１の表面における温度を示す。

図１７に示すように、基板１の外周側から中心側にかけて（つまり、基板１の半径方向の中心からの距離を示す、横軸の座標が小さくなるにつれて）温度が低下する傾向が見られた。この現象は、従来例２で示した実験結果と一致していた。また、基板１の外周と中心との温度差は約２０℃であった。一方、従来例２の実験結果で得られたＰＬ波長と基板表面温度との関係は、経験的に温度が１０℃上昇するとＰＬ波長は１５ｎｍ減ることがわかっており、したがって約２０ｎｍのＰＬ波長差は約１３℃の温度差に相当する。つまり、従来例３の計算結果は、従来例２の実験結果に基づき導出される温度差とほぼ一致した。

（実施例１）
図１８は、実施例１の計算モデルを示す図である。図３に示す支持部材１１およびスペーサ１４の構成を用いた場合の、基板１の表面の温度分布を、輻射熱伝達計算で導出した。図１６に示す従来例３の計算モデルと同様に、基板１の半径に相当する長さ（２５ｍｍ）についての二次元計算を行なった。サセプタ２に関するサイズおよび境界条件は従来例３と同じとした。計算は、スペーサ１４の半径方向の寸法（Ｘ）を変化させることによって、サセプタ２と支持部材１１との間の隙間１５の幅、すなわち基板１の半径方向における隙間１５の寸法を調整し、基板１の温度分布の最適化を試みた。

基板１の厚みは０．３５ｍｍとし、スペーサ１４の厚みは０．２ｍｍとした。支持部材１１の支持部１２を除く部分の厚みは０．５ｍｍ、支持部１２における支持部材１１の厚みは０．７ｍｍとした。スペーサ１４の材質はカーボンとし、支持部材１１の材質は石英とした。基板１の材質はサファイアとした。また外界温度は１００℃で一定とした。

図１９は、実施例１の計算結果を示すグラフである。図１９に示すグラフ（１）〜（５）は、それぞれ、Ｘ＝２１、２３、２４、２４．８、２５ｍｍの場合における、基板１の表面温度分布の計算結果を示す。図１９に示すように、スペーサ１４の半径方向の寸法が２４ｍｍ以下（グラフ（１）〜（３））の場合、基板１の外周部での温度が中心部に対して低くなっていた。一方、スペーサ１４の半径方向の寸法を２５ｍｍとし（グラフ（５））、隙間１５のない構成とした場合、基板１の外周部での温度が中心部に対して高くなっていた。

そこで、スペーサ１４の半径方向の寸法を２４．８ｍｍとする（グラフ（４））ことにより、図１９に示すように、基板１の表面温度をほぼ均一とすることが可能であるということが示された。なお、支持部材１１の材質をより熱伝導率の高い材料とすれば、基板１の表面温度を均一とするために最適なＸの値をより小さくすることができ、スペーサ１４の製造上許容できる誤差範囲をより大きくすることができると考えられる。

（実施例２）
図２０は、実施例２の基板がサセプタに保持されている状態を示す模式図である。図２１は、実施例２のスペーサの側面図である。図２０に示す支持部材１１は、実施例１と同じく材質は石英とし、サイズも実施例１と同じものを用いた。サセプタ２、スペーサ１４は、ＳｉＣコートしたカーボン製とした。図２０および図２１に示すように、平面形状円形のスペーサ１４の外径は５０．２ｍｍであり、サセプタ２のポケット４の内部にちょうどはまり込むサイズとし、ポケット４の内部でスペーサ１４の位置ずれが発生しない構造とした。スペーサ１４の表面の外周部を除く部分には、表面がテーブル状に突起した平面形状円形の段差部１４ａが形成されており、支持部材１１は段差部１４ａ上に設置された。これにより、支持部材１１が基板１と対向する面と反対側の面である支持部材１１の反対面側において、支持部材１１とサセプタ２との間に、基板１の厚み方向の寸法０．２ｍｍである隙間１５が形成される構造とした。図２１に示すスペーサ１４の段差部１４ａの半径方向の寸法（φＡ）を変えることによって、隙間１５の幅を変えることが出来る構成とした。

サセプタ２のポケット４の内部において、支持部材１１に、直径２インチ、厚み約０．３５ｍｍのＧａＮ基板を搭載した。φＡ＝４６、４８、４９ｍｍであるスペーサ１４を用い、従来例１と同様のエピタキシャル膜の構造および成膜条件で、基板１の表面上にエピタキシャル成長を行ない、青色ＬＥＤを作製した。なお、サセプタ２、スペーサ１４の材質としては、ＳｉＣコートカーボン以外に、ＳｉＣ、ＢＮ、ＰＢＮ（熱分解ＢＮ）、ＡｌＮとＢＮとの複合部材、Ｓｉ_３Ｎ_４とＢＮとの複合部材、石英などの、アンモニアガスなどに耐食性のある材料を使用することが可能である。

それぞれの青色ＬＥＤについてＰＬ波長分布を測定した結果、φＡ＝４８ｍｍのときに最もＰＬ波長分布がよくなることがわかった。図２２は、φＡ＝４８ｍｍのスペーサ１４を用いて作製した実施例２の青色ＬＥＤのウエハを、フォトルミネッセンス法で基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。図２２のグラフに示す各計測点および各座標軸は、図１３と同じである。図２２に示すように、実施例２ではＰＬ波長が±１．７ｎｍの範囲であり、図１３に示す従来例１および図１５に示す従来例２と比較して、ＰＬ波長分布が改善していた。したがって、支持部材１１とサセプタ２との間に隙間１５を形成できるスペーサ１４を用いることによって、基板１の温度分布を均一化することができ、基板１の表面に形成される半導体層の膜の品質を向上させることができることが明らかとなった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

半導体装置の製造装置の一例を示す断面模式図である。 図１に示すサセプタの上面図である。 基板がサセプタに保持されている状態を示す模式図である。 基板がサセプタに保持されている状態の変形例１を示す模式図である。 基板がサセプタに保持されている状態の変形例２を示す模式図である。 基板がサセプタに保持されている状態の変形例３を示す模式図である。 図３〜図６に示す支持部材の一例の平面図である。 図３〜図６に示す支持部材の変形例の平面図である。 半導体装置の製造方法を示す流れ図である。 半導体発光素子の一例を示す模式図である。 半導体発光素子の他の例を示す模式図である。 従来例１のサセプタに基板を充填し加熱した場合を示す模式図である。 従来例１の基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。 従来例２のサセプタに基板を充填し加熱した場合を示す模式図である。 従来例２の基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。 従来例３の計算モデルを示す図である。 従来例３の計算結果を示すグラフである。 実施例１の計算モデルを示す図である。 実施例１の計算結果を示すグラフである。 実施例２の基板がサセプタに保持されている状態を示す模式図である。 実施例２のスペーサの側面図である。 実施例２の基板表面の波長分布測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板、２ サセプタ、３ チャンバ、４ ポケット、５ 支持軸、６ ヒータ、７
原料ガス供給口、８ 排気口、１１ 支持部材、１２ 支持部、１３，１５ 隙間、１４ スペーサ、１４ａ 段差部、２５ 充填材、１００ 半導体発光素子、１０１ ｎ型窒化物半導体層、１０３ ｐ型窒化物半導体層、１０４ 透明電極、１０５ ｐ側電極パッド、１０６ ｎ型電極パッド、１０７ 保護膜、１１０ 半導体発光素子、１１３ ｎ型窒化物半導体層、１１５ ｐ型窒化物半導体層、１１７ 発光層、１２７ 基板、１３１ バッファ層、１３３ コンタクト領域、１３５ アノード電極、１３７ カソード電極、２０２ サセプタ、２０４ ポケット、２１１ 石英リング。

Claims (5)

1. 基板を保持するサセプタと、
   前記サセプタの前記基板を保持する面と反対側の裏面側に設置されている、前記基板を加熱する加熱部材と、
   前記基板と前記サセプタとの間に位置し、前記基板を支持する支持部を有する支持部材と、
   前記サセプタと前記支持部材との間に位置し、前記支持部材の前記支持部が形成されている位置の反対面側において開口部が形成されている、スペーサとを備え、
   前記開口部には、前記スペーサに対し熱伝導率の低い材料が充填されており、
   前記支持部は、前記基板の外周部を支持する、半導体装置の製造装置。
2. 前記支持部は、少なくとも３箇所の突起によって形成されている、請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の製造装置を用いた、半導体装置の製造方法であって、
   前記サセプタに前記基板を搭載する工程と、
   前記加熱部材により、前記基板を加熱する工程とを備える、半導体装置の製造方法。
4. 半導体は、窒化物系化合物半導体である、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体装置は、半導体発光素子である、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

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