(57)【要約】      （修正有）【課題】基板が目標温度に達するまでの時間を短縮し、従来よりも生産能力の優れた気相成長装置を提供する。【解決手段】基板を加熱するためのヒータ４２と、ヒータ４２が発した熱を基板に伝達するためのサセプタ４と、基板の温度を測定するための熱電対５０と、を備えた気相成長装置において、熱電対の測温部５０ａを覆う熱電対カバー５１は、熱電対の測温部５０ａと距離を置いて設けられている。該距離は前記熱電対カバー５１の設置高さを変更することにより調節可能であって、温度測定の応答性を調節可能とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を加熱するためのヒータと、前記ヒータが発した熱を前記基板に伝達するための熱伝導部材と、前記熱伝導部材の下部に設置された温度測定手段と、を備えた気相成長装置において、
前記温度測定手段の温度測定部には、該温度測定部を覆うカバーが設けられており、該カバーは前記温度測定部と距離を置いて設けられていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記カバーの設置高さが変更可能であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記カバーの径が下方ほど大きくなる形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理基板上に薄膜を形成する気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、化合物半導体材料を用いる発光ダイオード、半導体レーザ、宇宙用ソーラーパワーデバイス及び高速デバイスの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させる気相成長法が用いられている。
【０００３】
気相成長法は、原料ガスをキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。気相成長法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に要求されている。
【０００４】
図１１は、気相成長装置の一例として、特許文献１で用いられている装置である。この気相成長装置は、反応炉１０１の中で気相成長を行う。基板１０４はサセプタ１０３に載置され、サセプタ１０３は回転支持体１０２に支持されている。また、サセプタ１０３の下部には、サセプタ１０３を介して基板１０４を加熱するための加熱手段としてヒータ１０９が設置され、更に下方には、ヒータ１０９の熱を反射させるための反射板１１０が取り付けられている。サセプタ１０３の温度を測定するために、サセプタ１０３中心下部に凹部１１１を設け、サセプタ１０３の温度を測定するための手段として熱電対１１２が挿入されており、熱電対１１２の先端部からヒータ１０９の近傍にかけての外周には保護カバー１１９が設けられている。
【０００５】
特許文献１では、熱電対１１２の外周にヒータ１０９による熱を遮断するための部材である保護カバー１１９を設けることにより、基板１０４及びサセプタ１０３を加熱する際に、高温となったヒータ１０９の影響が熱電対１１２による温度の測定に直接反映されるのを防止することで、安定したサセプタ温度の測定を可能にする気相成長装置を提供している。また、サセプタ１０３近傍の温度測定感度を向上させるためには、本来、熱電対１１２の先端部には保護カバー１１９を設けず、ヒータ１０９の近傍にのみ保護カバー１１９を設けた方がよいことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４４１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、サセプタの温度を正確に測定するために、熱電対はサセプタ近傍かつ下方に設置されているのに対して、基板はサセプタ上方に載置されている。その一方で、ヒータはサセプタ下方にあるため、基板にはヒータ熱がサセプタを介して伝熱する上に、基板上方にある空間に熱が拡散する。その結果、ヒータの温度を変化させた際には、熱電対よりも基板の方が応答は遅くなる。更に、ヒータは熱電対の測定温度を基に制御されているので、基板が目標温度に到達するだけの熱を得ていないにもかかわらず、熱電対の測定温度が制御温度に達すると、その制御温度を維持するために、ヒータへの供給電力が抑えられ、基板が目標温度に達するまでに時間を要することがある。
【０００８】
気相成長を行うには基板を目標温度に到達させてから原料ガスを流し込む必要があるため、熱電対の測定温度が制御温度に達してから、基板が目標温度に達するまでに、十分時間を置いてから原料ガスを導入するため、生産性が悪くなる。
【０００９】
そこで本発明では、ヒータに対する熱電対の応答性をヒータに対する基板温度の応答性に近づけることによって、熱電対の測定温度を基にして制御されるヒータへの供給電力を増加させ、熱電対の測定温度が制御温度に達してから基板が目標温度に達するまでの時間を短縮し、従来よりも生産性に優れた気相成長装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の気相成長装置は、基板を加熱するためのヒータと、前記ヒータが発した熱を前記基板に伝達するための熱伝導部材と、前記熱伝導部材の下部に設置された温度測定手段とを備えた気相成長装置において、前記温度測定手段の温度測定部には、該温度測定部を覆うカバーが設けられており、該カバーは前記温度測定部と距離を置いて設けられていることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の気相成長装置では、前記温度測定部と前記カバーの距離を調整するために、カバーの設置高さを変更可能であることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の気相成長装置では、前記カバーの径が下方ほど大きい形状をしていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る気相成長装置によれば、ヒータに対する温度測定手段の応答性をヒータに対する基板温度の応答性に近づけられるので、基板が目標温度に達するまでの時間を短縮でき、従来よりも生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る気相成長装置を模式的に示す構成図である。
【図２】ヒータユニット及びその周囲の構成を模式的に示す図である。
【図３】ヒータユニットの平面図である。
【図４】ヒータユニットの平面図である。
【図５】熱電対と熱電対カバーの一例を示した図である。
【図６】実施の形態１の各種温度変化を表す図である。
【図７】比較例の各種温度変化を表す図である。
【図８】実施の形態２の各種温度変化を表す図である。
【図９】熱電対と熱電対カバーの一例を示した図である。
【図１０】実施の形態３の各種温度変化を表す図である。
【図１１】従来の気相成長装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔実施の形態１〕
図１は縦型シャワーヘッド型の気相成長装置１０を模式的に示した構成図である。気相成長装置１０は、中空部にある反応室としての成長室１を有する反応炉２と、ヒータ４２が発した熱を基板３に伝達するための熱伝導部材としてのサセプタ４と、底面に多数のガス吐出孔を備えたシャワー面２１を有するシャワーヘッド２０とを備える。サセプタ４の下方中央には、サセプタ４を回転させる回転支持体５と、この回転支持体５を取り囲むようにして設置されたヒータ収容室としてのヒータユニット４０Ａとが設けられている。回転支持体５が、アクチュエータ（図示せず）等によって回転させられることにより、サセプタ４は、図１で示すように、サセプタ４の上面（シャワー面２１に対向する面）がシャワー面２１と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。
【００１６】
次に、シャワーヘッド２０及びこのシャワーヘッド２０にガスを供給するための構成について説明する。III 族元素及びガスキャリアガスを含む原料ガスとしてのIII族系ガス供給源３１と、このIII 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのIII 族系ガス配管３２と、III 族系ガス供給源３１から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部としてのマスフローコントローラ３３とを備え、III 族系ガス供給源３１は、III 族系ガス配管３２によって、マスフローコントローラ３３を介して、シャワーヘッド２０のガス混合室２３に接続されている。
【００１７】
また、Ｖ族元素及びガスキャリアガスを含む原料ガスとしてのＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源３４と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのＶ族系ガス配管３５と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されるＶ族系ガスの供給量を調節することができるＶ族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３６を備え、Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族系ガス配管３５によって、マスフローコントローラ３６を介してシャワーヘッド２０のガス混合室２３に接続されている。マスフローコントローラ３３，３６は制御部（図示せず）にて制御されるようになっている。
【００１８】
ガス混合室２３とシャワー面２１との間に冷水供給部２２が設けられており、この冷水供給部２２には、シャワー面２１を冷却するために、冷却系配管３７により水冷装置３８から冷水が供給されるようになっている。尚、図１では、配管に取り付けられたバルブ類に関する記載は省略している。ここで、本実施の形態では、冷水供給部２２は冷却水を供給するようになっているが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。ガス混合室２３で混合された原料ガスはシャワー面２１を介して成長室１へ導入される。また、反応炉２の下部には成長室１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１１が設置されており、ガス排気部１１は、パージライン１２を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１３に接続されている。
【００１９】
図２は気相成長装置の要部断面図である。以下、図１，２を参照して気相成長装置１０の加熱機構について説明する。ヒータユニット４０Ａは、ヒータ収容室底部のヒータ支持台４１と、ヒータ支持台４１上に支柱４１ａを介して設置されたヒータ４２と、ヒータ４２からの熱を反射するリフレクタ４３と、ヒータ収容室の側壁及びカバーとしてのヒータカバー４４と、ヒータカバー４４の内側に設置されたパージガス導入ノズル４５とによって構成されている。パージガスは、例えば窒素などを用いる。ヒータユニット４０Ａでは、パージガス導入ノズル４５から導入されたパージガスは、サセプタ４、ヒータ支持台４１及びヒータカバー４４によって作られるヒータユニット４０Ａ内の空間に導入され、その後、サセプタ４とヒータカバー４４とによって作られるパージガス排気口４６から成長室１内へ排気される。
【００２０】
また、基板３の温度を測定する温度測定手段としての熱電対５０は、隣り合う２つのヒータ間に直立される。温度測定手段における温度測定部である熱電対の測温部５０ａは、熱電対５０の上端部中央にあり、熱電対の測温部５０ａとサセプタとの距離は１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。
【００２１】
熱電対カバー５１は、熱電対の測温部５０ａとの間に距離を置いて設置する。熱電対カバー５１の材質は、ヒータ４２による加熱に耐えられるものであればよく、例えば、モリブデンや石英などが挙げられる。
【００２２】
図３はサセプタ４を上部から見た平面図である。サセプタ４上には基板３を円状に１０枚載置でき、１０枚の基板を同時に気相成長させることができる。但し、本発明におけるサセプタの載置枚数は、これに限定しない。
【００２３】
図４はヒータユニット４０Ａ上の基板３とサセプタ４を取り除き、上方から見た平面図である。ヒータ４２は、回転支持体５を中心として円環状に２つ配置されている。
【００２４】
図５を用いて、熱電対５０周辺の構成について、より具体的に説明する。図５は、熱電対５０と熱電対カバー５１の配置の一例を示す図である。熱電対カバー５１（モリブデン製）は片側が閉口した円筒形で、高さ８ｍｍ、厚さ１ｍｍ、閉口部内側の直径が３ｍｍである。更に、熱電対カバー５１の内側上底面の中心部と熱電対の測温部５０ａとの間には空間を設け、２ｍｍの距離を置いて熱電対カバー５１を被せた。尚、熱電対カバー５１は、熱電対５０が熱電対カバー５１の中心軸を通るように設置した。また、円筒形のカバー固定具５２の下端をヒータ支持台４１に埋め込み、熱電対カバー５１をカバー固定具５２上に設置し、固定した。但し、本発明は熱電対カバー５１の固定方法をこれに限定しない。例えば、ヒータカバー４４に固定具の一端を取り付け、熱電対カバー５１を保持しても良い。
【００２５】
更に、比較例として熱電対カバーを設置せず、それ以外は同条件としたものを用意した。
【００２６】
ここで、本実施の形態と比較例について温度応答性の評価を行う前に、まず熱電対の制御温度について説明する。気相成長では、基板温度を目標温度に到達させ、温度を一定にさせてから原料ガスを導入するため、基板温度が目標温度で一定となったときの熱電対の測定温度を熱電対の制御温度として予め把握しておく必要がある。基板の目標温度を１０５０℃にした場合、本実施の形態における熱電対５０の制御温度は１０７０℃、比較例における熱電対５０の制御温度は１２２０℃であった。
【００２７】
尚、熱電対の制御温度は、熱電対カバー５１の設置条件に依存するため、熱電対カバー５１の設置条件を変えた際には、その都度測定を行うことになる。
【００２８】
以上の条件で、熱電対５０の設定温度（以下、「SP値」という）を、６００秒で上記の予め測定した制御温度にまで昇温させ、その後は熱電対の測定温度を一定にするヒータ制御を行い、温度応答性を評価した。
【００２９】
図６は本実施の形態の測定結果を、図７は比較例の測定結果である。図６，図７において、縦軸は温度を、横軸はヒータに電源を投入してからの時間を表し、ＳＰはＳＰ値を、ＴＣは熱電対温度を、Ｔｐは基板温度を表す。
【００３０】
ＳＰ値が制御温度に到達してから基板の温度が一定になるまでの時間が、比較例では約５８０秒であるのに対して、本実施の形態では約３００秒であった。
【００３１】
これは、カバーを取り付けたことによって、ヒータに対する熱電対の応答性が基板温度の応答性に近づいたため、熱電対の制御温度が、カバーが無いときよりも高くなり、ヒータへ供給される電力が増えることで、基板へ供給される熱量が増したためである。そのため、ヒータによる加熱を始めてからＳＰ値が熱電対５０の制御温度に到達するまでの時間にかかわらず（上記例では６００秒に設定している）、ＳＰ値が制御温度に到達してから基板の温度が一定になるまでの時間は、比較例よりも本実施の形態の方が短くなるので、従来よりも生産性に優れた気相成長装置を提供することができる。
【００３２】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は、基本構成は実施の形態１と同様であるが、熱電対カバー５１の設置高さを調整可能にしたものである。
【００３３】
実施の形態２では、カバー固定具５２の下端を螺子状にし、ヒータ支持台４１に螺子穴を設けた上でカバー固定具５２を差し込み保持することで、熱電対カバー５１の設置高さを調整できるようにした。但し、本発明における熱電対カバー５１の設置高さ調整方法は、これに限定するものではない。例えば、ヒータカバー４４に固定具の一端を取り付ける差し込み口を複数設け、固定具を取り付ける差し込み口を変えることにより熱電対５０の設置高さを変えてもよい。
【００３４】
熱電対カバー５１の設置高さを変えることで、熱電対の測温部５０ａと熱電対カバー５１との距離を変えられるため、熱電対の温度応答性の調整が可能である。
【００３５】
図８は、実施の形態１よりも熱電対カバー５１の設置高さを2mm高くし、それ以外は実施の形態１と同条件で基板温度（Ｔｐ）と熱電対温度（ＴＣ）の測定を行った結果である。尚、本実施の形態における熱電対５０の制御温度は１０４０℃であった。
【００３６】
ＳＰ値が制御温度に到達してから基板の温度が一定になるまでの時間が、実施の形態１の場合には約３００秒であるのに対して、本実施の形態では約２００秒であった。
【００３７】
このように、熱電対カバーの設置高さを変える機構により、ヒータに対する熱電対の応答性の調整をより容易にすることが可能となり、ＳＰ値が制御温度に到達してから基板が目標温度に到達するまでの時間をより短縮できるため、さらに生産能力の優れた気相成長装置を提供することができる。
【００３８】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は、基本構成は実施の形態２と同様であるが、熱電対カバー５１の径が下方ほど大きくなる形状にしたものである。
【００３９】
熱電対カバー５１の径が下方ほど大きくなる形状である場合、実施の形態２のように、下方でも径が変わらない形状である場合に比べ、熱電対の測温部５０ａと熱電対カバー５１内部側面との距離を大きくとることができるため、ヒータ４２に対する熱電対５０の応答性を基板３の応答性に近づけるための調整が容易となる。
【００４０】
図９に示すように、本実施の形態では熱電対カバー５３の径が下方ほど大きくなる形状で、内側下底面の直径が５ｍｍ、それ以外は実施の形態２と同条件になるよう設定した。
【００４１】
図１０は熱電対カバー５３を用いて、基板温度（Ｔｐ）と熱電対温度（ＴＣ）の測定を行った結果である。尚、実施の形態３における熱電対５０の制御温度は１０１０℃であった。
【００４２】
測定の結果、ＳＰ値が制御温度に到達してから基板の温度が一定になるまでの時間が、実施の形態２の場合には約２００秒であるのに対して、本実施の形態では約１００秒であった。つまり、熱電対カバー５１が下方でも径が変わらない形状である場合よりも、下方ほど径が大きくなる形状である場合の方が、ヒータ４２に対する熱電対５０の応答性を基板３の温度の応答性により近づけることができた。
【００４３】
熱電対カバー５１の径が下方ほど大きくなる形状にすることに加えて、熱電対カバー５１の設置高さを調整可能とすると、熱電対の測温部５０ａと熱電対カバー５１内部上底面との距離だけでなく、熱電対の測温部５０ａと熱電対カバー５１内部側面との距離も変えることが可能となり、その結果熱電対の測温部５０ａと熱電対カバー５１間に形成される空間が大きくなるため、熱電対カバー５１の径が下方でも一定の形状である場合と比べ、同じ設置高さの変化で、より大きく温度応答性を変えることができる。サセプタ４と熱電対５０との距離は、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度しか離れておらず、熱電対カバー５１の設置高さを変化させられる範囲は限られている。そこで、熱電対カバー５１の設置高さを同じだけ変化させた場合でも、より大きく温度応答性を変えることができた方が、温度応答性の選択範囲がより広くなるため、より適切な温度応答性を得ることができる。
【００４４】
尚、上記実施の形態１〜３で示した熱電対カバー５１の形状や、熱電対カバー５１の内側上底面の中心部と熱電対の測温部５０ａとの距離は一例であって、基板３，サセプタ４，ヒータ４２，リフレクタ４３，熱電対５０等の設置状況に応じて適宜決めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、温度測定手段を有する気相成長装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１      成長室（反応室）
２      反応炉
３      基板
４      サセプタ（熱伝導部材）
５      回転支持体
１０      気相成長装置
１１      ガス排気部
１２      パージライン
１３      排ガス処理装置
２０      シャワーヘッド
２１      シャワー面
２２      冷水供給部
２３      ガス混合室
３１      III 族系ガス供給源
３２      III 族系ガス配管
３３      マスフローコントローラ
３４      Ｖ族系ガス供給源
３５      Ｖ族系ガス配管
３６      マスフローコントローラ
３７      冷却系配管
３８      水冷装置
４０Ａ    ヒータユニット（ヒータ収容室）
４１      ヒータ支持台（ヒータ収容室底部）
４１ａ    支柱
４２      ヒータ
４３      リフレクタ
４４      ヒータカバー（ヒータ収容室の側壁、カバー、延設部材）
４５      パージガス導入ノズル
４６      パージガス排気口
５０      熱電対（温度測定手段）
５０ａ    熱電対の測温部（温度測定部）
５１      熱電対カバー（温度測定部を覆うカバー）
５２      カバー固定具
５３      熱電対カバー（温度測定部を覆うカバー）
１０１    反応炉
１０２    回転支持体
１０３    サセプタ
１０４    基板
１０９    ヒータ（加熱手段）
１１０    反射板
１１１    凹部
１１２    熱電対（温度測定手段）
１１９    保護カバー
【図１】
2011165907.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011165907.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011165907.tif 000011
【図１０】
2011165907.tif 000012
【図１１】
2011165907.tif 000013