(57)【要約】【課題】種基板をトレイから容易に取り外すこと。【解決手段】種基板を搭載し、原料ガスの流入方向に対向する位置に前記種基板を配置するトレイと、前記トレイを搭載するサセプタと、を備える気相成長装置。前記トレイは、前記種基板が搭載される基板搭載部と、前記基板搭載部を前記サセプタから所定の距離で保持する保持部と、を有し、前記保持部は、前記基板搭載部から前記サセプタ側に向かって外周が縮小するテーパ部を有する。【選択図】図１
2020001950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種基板を搭載し、原料ガスの流入方向に対向する位置に前記種基板を配置するトレイと、
前記トレイを搭載するサセプタと、を備え、
前記トレイは、
前記種基板が搭載される基板搭載部と、
前記基板搭載部を前記サセプタから所定の距離で保持する保持部と、を有し、
前記保持部は、前記基板搭載部から前記サセプタ側に向かって外周が縮小するテーパ部を有する、
気相成長装置。
【請求項２】
前記保持部は、前記テーパ部より前記サセプタ側に配置された、前記原料ガスの流入方向と平行な側面を有する直面部を有する、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記直面部は、前記基板搭載部の外周よりも外側に広がった外周を有する、請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記テーパ部のテーパ角は、６０°以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記サセプタの前記基板搭載部側の面と、前記テーパ部の前記基板搭載部側の面と、の間の距離は、成長させる結晶の膜厚以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記サセプタの前記基板搭載部側の面と、前記テーパ部の前記基板搭載部側の面と、の間の距離は、１ｍｍ以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
ＧａＮを成長させることが可能な、請求項１〜６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板の一例であるＧａＮ基板は、主にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いて作製されたＧａＮバルク単結晶を加工して作製されている。ＨＶＰＥ法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に比べ成長速度が速く、厚膜のＧａＮバルク結晶を比較的短時間で得る事ができるという利点がある。ＨＶＰＥ法では、トレイの基板搭載部に位置された種基板をヒーターにより加熱し、上記加熱された種基板に対して原料ガスを吹き付けることで、種基板上に厚膜のＧａＮバルク結晶を形成する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７-３２０８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＨＶＰＥ法では、結晶の形成と同時に多量の多結晶体がトレイ付近からサセプタに至るまで連続的に発生してしまうことがある。上記発生した多結晶体は、種基板とトレイとサセプタとを連結させてしまい、種基板の取り外しを困難とさせることがあった。
【０００５】
本開示は、以上の課題を解決するための手段であり、種基板をトレイから容易に取り外すことができる気相成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための、本発明の気相成長装置は、種基板を搭載し、原料ガスの流入方向に対向する位置に前記種基板を配置するトレイと、前記トレイを搭載するサセプタと、を備える。前記トレイは、前記種基板が搭載される基板搭載部と、前記基板搭載部を前記サセプタから所定の距離で保持する保持部と、を有し、前記保持部は、前記基板搭載部から前記サセプタ側に向かって外周が縮小するテーパ部を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、種基板をトレイから容易に取り外すことができる気相成長装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態における気相成長装置の模式的な構成を示す模式図である。
【図２】図２Ａは、気相成長装置が備える従来のトレイおよびサセプタの構成例を示す模式断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すトレイおよびサセプタを備える気相成長装置を用いて結晶成長をした後のトレイおよびサセプタの様子を示す模式断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における気相成長装置が備えるトレイおよびサセプタの構成例を示す模式断面図である。
【図４】図４Ａは、サセプタの基板搭載部側の面と、テーパ部の基板搭載部側の面と、の間の距離が成長させる結晶の膜厚未満であるトレイを備える気相成長装置を用いて結晶成長をした後のトレイの様子を示す模式断面図であり、図４Ｂは、サセプタの基板搭載部の面と、テーパ部の基板搭載部側の面と、の間の距離が成長させる結晶の膜厚以上であるトレイを備える気相成長装置を用いて結晶成長をした後のトレイの様子を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本実施の形態における縦型ＨＶＰＥ装置である気相成長装置１００の模式的な構成を示す模式図である。
【００１１】
気相成長装置１００は、反応炉１１０と、反応炉１１０の周囲に設けられたヒーター１２０と、反応炉１１０内に設けられたトレイ１３０と、トレイ１３０を搭載するサセプタ１４０と、サセプタ１４０のトレイ１３０とは反対側に配置されたヒーター１５１と、回転機能を持つ支持軸１５２と、配管１６１、配管１６２、配管１６３、配管１６４および配管１６５と、を備える。
【００１２】
反応炉１１０は、ＨＶＰＥ法などによる気相成長法を行うための容器である。反応炉１１０は、耐熱性が高く、かつ導入するガスとの間で不要な反応を生じにくい、石英などの材料により形成される。
【００１３】
ヒーター１２０は、反応炉１１０の内部を気相成長法による結晶の成長に適した温度に加熱し、加熱された温度を維持する。加熱および維持する温度は、成長させる結晶の種類に応じて設定すればよい。
【００１４】
トレイ１３０は、種基板を搭載し、種基板から結晶を成長させるための台座である。本実施形態では、トレイ１３０は、後述する配管１６１および配管１６２からの原料ガスの流入方向に対向する位置に種基板を配置する。トレイ１３０は、耐熱性が高く、かつ導入するガスとの間で不要な反応を生じにくい、石英、炭素、炭化珪素、および窒化ホウ素などの材料により形成される。
【００１５】
サセプタ１４０は、トレイ１３０を搭載する、伝熱性の台座である。
【００１６】
ヒーター１５１は、サセプタ１４０を介してトレイ１３０を加熱し、トレイ１３０に搭載された種基板を、気相成長法による結晶の成長に適した温度に加熱し、加熱された温度を維持する。加熱および維持する温度は、成長させる結晶の種類に応じて設定すればよい。
【００１７】
支持軸１５２は、サセプタ１４０およびサセプタ１４０に搭載されたトレイ１３０を回転させる。支持軸１５２は、トレイ１３０を回転させることにより、トレイ１３０上での結晶成長の偏りを抑制する。
【００１８】
配管１６１および配管１６２は、成長させる結晶の原料を含む原料ガスを反応炉１１０の内部に流入させる。本実施形態では、配管１６１はＩＩＩ族元素の塩化物（塩化ガリウム（ＧａＣｌＸ）など）を、配管１６２はＶ属元素の水素化物（ＡｓＨ３、ＮＨ３（アンモニア）およびＰＨ３など）を、反応炉１１０の内部に流入させる。
【００１９】
本実施形態において、配管１６１は、原料箱１６６と反応炉１１０の内部とを連通する。原料箱１６６の内部にはＩＩＩ属元素（Ｇａなど）が装入されており、配管１６７を通じて外部から導入された塩化水素ガスとＧａとが原料箱１６６の内部で反応して生成した塩化ガリウムが、配管１６１から反応炉１１０の内部に流入する。
【００２０】
配管１６３および配管１６４は、キャリアガスを反応炉１１０の内部に流入させる。本実施形態では、配管１６３は水素ガスを、配管１６４は窒素ガスを、反応炉１１０の内部に流入させる。
【００２１】
配管１６５は、反応炉１１０の内部に流入されたキャリアガスなどを、反応炉１１０の外部に排出する。
【００２２】
気相成長装置１００を用いて結晶成長を行うときは、種基板をトレイ１３０に搭載した後、配管１６３から導入した窒素ガスによって反応炉１１０の内部を十分にパージし、反応炉１１０の内部に残留している酸素を除去する。その後、ヒーター１２０およびヒーター１５１によって反応炉１１０の内部および種基板を結晶成長温度まで加熱し、当該温度を維持する。その後、配管１６１および配管１６２から、成長させる結晶の原料を含む原料ガスを反応炉１１０の内部に流入させる。このとき、必要に応じて、配管１６４および配管１６４から、キャリアガスを反応炉１１０の内部に流入させる。上記原料ガスに含まれる原料が種基板上で反応して、結晶（たとえば、ＧａＮバルク単結晶）が成長していく。
【００２３】
なお、種基板は、金属酸化物結晶またはＩＩＩ族窒化物半導体結晶とすることができる。上記金属酸化物結晶の例には、サファイア、炭化珪素、珪素、ガリウム砒素、およびＳｃＭｇＡｌＯ４が含まれる。上記ＩＩＩ族窒化物結晶の例には、ＧａＮが含まれる。
【００２４】
このようなＨＶＰＥ法によると、ＭＯＣＶＤ法に比べ成長時間を１／５０〜１／４００程度に短縮できる。一般にＧａＮ基板の作製を目的としたＧａＮバルク単結晶には、１ｍｍ以上の膜厚が必要とされる。そのため、結晶の成長速度が速く、厚い膜を短時間で成膜できるＨＶＰＥ法は、ＧａＮバルク単結晶の成長などに適した方法といえる。
【００２５】
ところで、上記ＨＶＰＥ法では、結晶の成長が終了し反応炉１１０の温度を室温まで冷却した後、トレイ１３０を反応炉１１０から取り外し、トレイ１３０上に生じた結晶をトレイ１３０から取り外して、目的とする結晶の膜を入手する。このとき、トレイ１３０には、目的とする結晶に連結して、多結晶が寄生付着することが知られている。そのため、上記連結した多結晶体を、研磨および加工により取り除いて、目的とする結晶体を入手することになる。
【００２６】
図２Ａは、上述したような気相成長装置が備える従来のトレイ２３０およびサセプタ２４０の構成例を示す模式断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すトレイ２３０およびサセプタ２４０を備える気相成長装置を用いて結晶成長をした後のトレイ２３０およびサセプタ２４０の様子を示す模式断面図である。図２Ａに示すようなトレイ２３０を用いて気相成長を行うと、図２Ｂに示すように、多結晶２８０がトレイ２３０上からサセプタ２４０上へと連続して発生して、種基板２７０、トレイ２３０およびサセプタ２４０が連結してしまい、種基板２７０がトレイ２３０およびサセプタ２４０に強固に固着されて、種基板２７０をトレイ２３０から取り外すことが、困難となる。
【００２７】
図３は、本実施形態における気相成長装置１００が備えるトレイ１３０およびサセプタ１４０の構成例を示す模式断面図である。トレイ１３０は、種基板が搭載される基板搭載部１３２と、基板搭載部１３２を保持する保持部１３４と、を有する。
【００２８】
基板搭載部１３２は、種基板が搭載されるステージである。
【００２９】
保持部１３４は、基板搭載部１３２を、サセプタ１４０から所定の距離で保持する台座である。本実施形態において、保持部１３４は、内部を中空として熱伝導性を高めた円筒状の台座であり、基板搭載部１３２側の端部に、外部に広がって形成されたテーパ部１３４ａを有する。
【００３０】
テーパ部１３４ａは、その上面が、基板搭載部１３２の種基板を搭載する面から連続して外部に延出する面となっており、その側面が、原料ガスの入流方向に沿って外周が縮小する、テーパ状の形状を有する。テーパ部１３４ａの上面では、種基板の周囲で成長した多結晶が、基板搭載部１３２に沿ってテーパ部１３４ａの端部まで成長できる。しかし、テーパ部１３４ａの側面では、配管１６１および配管１６２から流入される原料ガスが上記側面に到達しにくいため、多結晶の成長が抑制される。つまり、トレイ１３０上で成長した多結晶は、テーパ部１３４ａによってサセプタ１４０の方向への成長を阻害される。そのため、テーパ部１３４ａは、トレイ１３０の保持部１３４とサセプタ１４０とを、成長した多結晶によって連続して被覆されにくくして、トレイ１３０とサセプタ１４０との取り外しを容易にすることができる。
【００３１】
また、本実施形態において、保持部１３４は、テーパ部１３４ａよりサセプタ１４０側に配置され、テーパ部１３４ａのサセプタ１４０側の端部と連続して形成された、原料ガスの入流方向と平行な外周を有する直面部１３４ｂを有する。
【００３２】
後述するように、テーパ部１３４ａは、基板搭載部１３２の種基板が搭載される平面と、テーパ状の側面と、がなすテーパ角θがより鋭角であることが好ましい。一方で、保持部１３４には、種基板をサセプタ１４０から所定の距離で保持することが求められる。直面部１３４ｂは、テーパ部１３４ａのサセプタ１４０側の端部をサセプタ１４０からより離れた位置にすることで、テーパ部１３４ａのテーパ角θをより鋭角にしたときにも、種基板をサセプタ１４０から離して、種基板とサセプタ１４０との間の距離を確保することができる。
【００３３】
このとき、直面部１３４ｂは、基板搭載部１３２の外周よりも外側に広がった外周を有することが好ましい。これにより、直面部１３４ｂの内部に形成された中空の空間の断面積を広くして、伝熱効率をより高めることができる。また、このとき、直面部１３４ｂは、保持部１３４においてより外部側に原料ガスの入流方向と平行に形成された側面が、配管１６１および配管１６２から流入されて加熱された原料ガスと接触しやすいため、直面部１３４ｂが冷却されることによる伝熱効率の低下も抑制できる。
【００３４】
また、本実施形態において、サセプタ１４０の基板搭載部１３２の面と、テーパ部１３４ａの前記基板搭載部側の面と、の間の距離は、成長させる結晶の膜厚以上（たとえば１ｍｍ以上）であることが好ましい。
【００３５】
図４Ａは、サセプタ１４０の基板搭載部１３２側の面と、テーパ部１３４ａの基板搭載部１３２側の面と、の間の距離が成長させる結晶の膜厚未満であるトレイ１３０を備える気相成長装置を用いて種基板１７０から結晶成長をした後のトレイ１３０の様子を示す模式断面図である。このとき、トレイ１３０に寄生付着して、テーパ部１３４ａの上面（本実施形態において、テーパ部１３４ａの基板搭載部１３２側の面と同一の平面である。）の端部まで成長した多結晶１８０ａと、サセプタ１４０の基板搭載部１３２側の面に成長した多結晶１８０ｂと、が連結してしまい、トレイ１３０とサセプタ１４０との取り外しが困難になることがある。
【００３６】
図４Ｂは、サセプタ１４０の基板搭載部１３２の面と、テーパ部１３４ａの基板搭載部１３２側の面と、の間の距離が成長させる結晶の膜厚以上であるトレイ１３０を備える気相成長装置を用いて種基板１７０から結晶成長をした後のトレイ１３０の様子を示す模式断面図である。このとき、トレイ１３０に寄生付着して、テーパ部１３４ａの上面（本実施形態において、テーパ部１３４ａの基板搭載部１３２側の面と同一の平面である。）の端部まで成長した多結晶１８０ａと、サセプタ１４０の基板搭載部１３２側の面に成長した多結晶１８０ｂと、は連結にくいため、トレイ１３０とサセプタ１４０との取り外しは容易である。
【００３７】
（テーパ角θに関する検証）
サセプタの基板搭載部の面と、テーパ部の基板搭載部の面と、の間の距離が５ｍｍであるトレイを備える、本実施形態に関する気相成長装置を用いて、ＨＶＰＥ法を用いて、膜厚５ｍｍを狙いとして種基板上にＧａＮバルク単結晶の形成を行った。基板搭載部１３２の種基板が搭載される平面と、テーパ状の側面と、がなすテーパ角θを、４５°、６０°、９０°の３段階で変化させ、かつ、原料ガスの流速を、ＧａＮ結晶の成膜が容易に可能な基準流速、基準流速×０．５倍の流速、および基準流速×０．１倍の流速、の３段階で変化させて、それぞれの条件で、種基板をトレイから容易に取り外せるか否かを検証した。
【００３８】
結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
2020001950.tif 000003
【００４０】
表１の結果より、基準流速に対し×０．５倍の流速のとき、テーパ角θが４５°から６０°だと、種基板をトレイから容易に取り外すことができた。しかしながら、基準流速×０．１では、テーパ角θが４５°のときは種基板をトレイから容易に取り外すことが出来たが、テーパ角θが６０°のときは種基板をトレイから容易に取り外すことができなかった。
【００４１】
この結果から、テーパ角はより鋭角であることが好ましいことがわかる。なお、トレイの側面に原料ガスを入り難くして、テーパ部の側面に多結晶体を形成されにくくする観点からも、テーパ角はより鋭角であることが好ましい。たとえば、テーパ角は、６０°以下とすることができ、４５°以下とすることが好ましい。なお、テーパ角の最小値は特に限定されないものの、１０°以上であればよい。
【００４２】
また、上述したテーパ部や直壁部を有するカバーを、従来のトレイにかぶせて、本実施形態の形状を有するトレイとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
照明用、車載用向けの発光ダイオードなどの光デバイスや、高周波向けの電子デバイス等にエピタキシャル成長用基板として使用されるＩＩＩ族窒化物半導体下地基板、もしくはＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造に利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  気相成長装置
１１０  反応炉
１２０  ヒーター
１３０  トレイ
１３２  基板搭載部
１３４  保持部
１３４ａ  テーパ部
１３４ｂ  直面部
１４０  サセプタ
１５１  ヒーター
１５２  支持軸
１６１  配管
１６２  配管
１６３  配管
１６４  配管
１６５  配管
１６６  原料箱
１６７  配管
１７０  種基板
１８０ａ、１８０ｂ  多結晶
２３０  トレイ
２４０  サセプタ
２７０  種基板
２８０  多結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020001950.tif 000007