(57)【要約】【課題】基板の円周方向の膜厚ばらつきを低減し、歩留まりを向上させること。【解決手段】基板に化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置であって、基板が保持される基板保持具と、基板保持具が載置されるサセプタと、サセプタに接続された回転軸とを有し、回転軸の中心と基板保持具の中心とを一致させるように自動位置合わせする構造が、サセプタ及び基板保持具の少なくとも何れかに設けられた結晶成長装置が提供される。【選択図】図４
2015130382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置であって、
前記基板が保持される基板保持具と、
前記基板保持具が載置されるサセプタと、
前記サセプタに接続された回転軸と
を有し、
前記回転軸の中心と前記基板保持具の中心とを一致させるように自動位置合わせする構造が、前記サセプタ及び前記基板保持具の少なくとも何れかに設けられた、
結晶成長装置。
【請求項２】
前記基板保持具は、前記サセプタとの接触部分にテーパ部を有し、
前記サセプタは、前記基板保持具との接触部分にテーパ部を有する、
請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記基板保持具のテーパ部及び前記サセプタのテーパ部は、共摺りにより形成された一対の接合部である、
請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記基板保持具の前記回転軸に対する位置ずれについて、
前記基板保持具における前記回転軸の中心から前記基板保持具の周に直交するように引いた線分の最大値をａ［μｍ］、最小値をｂ［μｍ］としたとき、
（ａ−ｂ）／２≦１００
を満たす、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
ＭＯＣＶＤ法により前記基板に化合物半導体結晶を成長させる、
請求項１乃至４の何れか一項に記載の結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体結晶は、高速動作、発光機能、高い光電変換効率等の特徴を有することから、電界効果型トランジスタ、発光ダイオード、半導体レーザ、面発光レーザ、受光素子等の化合物半導体装置に用いられている。化合物半導体結晶は、例えば、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置等の結晶成長装置により形成される。
【０００３】
化合物半導体結晶は、近年の半導体デバイスの高集積化に対する要求に伴い、基板の面内における膜厚のばらつきを低減させることが求められている。
【０００４】
そこで、従来、サセプタと、基板を装着するためにサセプタに配置された基板トレイとを備えた気相成長装置において、基板トレイとサセプタとを異なる回転軸で回転させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術においては、サセプタとトレイとの位置ずれに関する記載はない。したがって、基板が載置されたトレイとサセプタとの間の位置ずれにより、基板に形成される化合物半導体結晶の基板の円周方向の膜厚にばらつきが生じることがある。
【０００６】
そこで、本発明の一つの案では、基板の円周方向の膜厚ばらつきを低減し、歩留まりを向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの案では、基板に化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置であって、基板が保持される基板保持具と、基板保持具が載置されるサセプタと、サセプタに接続された回転軸とを有し、回転軸の中心と基板保持具の中心とを一致させるように自動位置合わせする構造が、サセプタ及び基板保持具の少なくとも何れかに設けられた結晶成長装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
一態様によれば、基板の円周方向の膜厚ばらつきを低減し、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】結晶成長装置の一例の概略構成図である。
【図２】図１の結晶成長装置の反応管近傍の拡大図である。
【図３】従来の結晶成長装置における基板保持具とサセプタとの間の位置関係の説明図である。
【図４】本実施形態の結晶成長装置における基板保持具とサセプタとの間の位置関係の説明図である。
【図５】実施例に係る基板の円周方向の膜厚分布と歩留まりの評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１１】
本実施形態に係る結晶成長装置１は、基板Ｗに化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置１であって、基板Ｗが保持される基板保持具１２と、基板保持具１２が載置されるサセプタ１３と、サセプタ１３に接続された回転軸１４とを有する。
【００１２】
また、回転軸１４の中心と基板保持具１２の中心とを一致させるように自動位置合わせ（セルフアライメント）する構造が、サセプタ１３及び基板保持具１２の少なくとも何れかに設けられている。
【００１３】
まず、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置１の全体構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に、結晶成長装置１の一例の概略構成図を示す。また、図２（ａ）に図１の結晶成長装置１の反応管１０近傍の拡大図を、図２（ｂ）に図２（ａ）の回転軸１４近傍の拡大図を示す。図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、矢印は回転軸１４の回転方向を表す。
【００１５】
図１に示した結晶成長装置１は、ＭＯＣＶＤ法により基板ＷにIII−Ｖ族の化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置１として構成されている。
【００１６】
結晶成長装置１は、例えば、中空部であるリアクタ１１を有する反応管１０を有している。反応管１０内では、被処理体である基板Ｗに対して、結晶成長反応が施される。
【００１７】
反応管１０内には、基板保持具１２が載置されるサセプタ１３が設けられており、基板保持具１２には、基板Ｗが保持される。サセプタ１３には、反応管１０内に一部が挿入された回転軸１４が接続されており、回転軸１４が回転するとサセプタ１３及びサセプタ１３上に基板保持具１２を介して保持された基板Ｗが回転する。
【００１８】
サセプタ１３の内部には、図２（ｂ）に示す固定軸１５に接続された図示しないヒータが設けられている。固定軸１５は、ベアリング１６を介して回転軸１４と接続されている。ヒータは、基板Ｗを間接的に加熱する。すなわち、ヒータの熱がサセプタ１３及び基板保持具１２を介して基板Ｗに伝わる。これにより、基板Ｗの温度は任意に調整可能となっている。
【００１９】
反応管１０の天井部には、III族系ガスをリアクタ１１に供給するためのIII族系ガス供給部３１と、Ｖ族系ガスをリアクタ１１に供給するためのＶ族系ガス供給部５１とが設けられている。
【００２０】
III族系ガス供給部３１には、III族元素を含むIII族系ガスの供給源となるIII族系ガス供給源３２が、III族系ガス供給管３３を介して接続されている。
【００２１】
III族系ガス供給源３２は、例えば、III族系ガスを供給するIII族の原料が保管された温度調節可能な恒温層を含む保管部３４ａ、３４ｂと、保管部３４ａ、３４ｂにキャリアガスを供給するキャリアガス供給管３５ａ、３５ｂとを有する。また、キャリアガス供給管３５ａ、３５ｂと保管部３４ａ、３４ｂとの間には、キャリアガスの供給流量が制御可能なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）等の流量制御器３６ａ、３６ｂが設けられている。
【００２２】
III族系ガスは、保管部３４ａ、３４ｂにおいて温度が一定に保たれたIII族の原料中に、キャリアガス供給管３５ａ、３５ｂから供給されたキャリアガス、例えば水素（Ｈ２）をバブリングすることにより生成される。生成されたIII族系ガスは、III族系ガス供給管３３を介して、III族系ガス供給部３１からリアクタ１１に供給される。
【００２３】
III族の原料としては、例えばガリウム（Ｇａ）の原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アルミニウム（Ａｌ）の原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、インジウム（Ｉｎ）の原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等が挙げられる。
【００２４】
Ｖ族系ガス供給部５１には、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源５２が、Ｖ族系ガス供給管５３を介して接続されている。
【００２５】
Ｖ族系ガス供給源５２は、例えば、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスを含むガスボンベ５４を有する。また、ガスボンベ５４とリアクタ１１との間には、Ｖ族系ガスの供給流量が制御可能なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）等の流量制御器５６が設けられている。
【００２６】
Ｖ族系ガスとしては、例えば、水素化物ガスが挙げられ、具体的にはヒ素（Ａｓ）の原料としてのアルシン（ＡｓＨ３）、リン（Ｐ）の原料としてのホスフィン（ＰＨ３）、窒素（Ｎ２）の原料としてのアンモニア（ＮＨ３）等のガスが挙げられる。
【００２７】
反応管１０の下部には、排気管６０が設けられている。排気管６０には、図示しない排気装置が接続されており、反応管１０内を所定の真空度まで減圧する。
【００２８】
次に、結晶成長装置１の反応管１０内部に設けられた基板保持具１２とサセプタ１３との間の位置関係について、図３及び図４を参照しながら説明する。
【００２９】
図３に、従来の結晶成長装置１における基板保持具１２とサセプタ１３との間の位置関係の一例を示す。図３中、Ｗｃは基板の中心、１４ｃは回転軸１４の中心、矢印は回転軸１４の回転方向を表す。また、ａ及びｂは、各々、基板保持具１２における回転軸中心１４ｃから基板保持具１２の周に直交するように引いた線分の最大値及び最小値である。
【００３０】
図３に示すように、基板Ｗが保持された基板保持具１２は、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとがずれた（偏った）状態でサセプタ１３上に載置されている。ここで、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとの位置ずれδＣは、基板保持具１２における回転軸中心１４ｃから基板保持具１２の周に直交するように引いた線分の最大値をａ［μｍ］、最小値をｂ［μｍ］としたとき、δＣ＝（ａ−ｂ）／２で表される。
【００３１】
回転軸１４は、図３に示す矢印の方向に回転することによりサセプタ１３を回転軸１４と同様に矢印の方向に回転させる。また、サセプタ１３の回転により、サセプタ１３上に基板保持具１２を介して保持された基板Ｗも回転軸１４と同様に矢印の方向に回転する。
【００３２】
ここで、図３においては、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとがずれているため、基板Ｗの円周方向の膜厚分布が大きくなり、歩留まりが低下する。
【００３３】
一方、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとが一致している場合、基板Ｗと反応管１０との間の位置関係及び基板Ｗとヒータとの間の位置関係は、基板Ｗが回転することにより平均化される。これにより、基板Ｗの円周方向における膜厚のばらつきは生じない又は小さい。
【００３４】
しかしながら、基板Ｗが載置された基板保持具１２は、図示しないロードロック室から反応管１０内に搬送され、サセプタ１３上に載置される。このため、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとは、基板保持具１２とサセプタ１３との間の寸法公差（遊び）によってずれることがある。仮に、基板保持具１２とサセプタ１３との間の寸法公差がない場合には、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとがずれることはないが、基板保持具１２が全くずれないように搬送する必要があるため困難である。
【００３５】
そこで、本実施形態に係る結晶成長装置１には、基板中心Ｗｃ（又は基板保持具１２の中心）と回転軸中心１４ｃを一致させるように自動位置合わせする構造が、サセプタ１３及び基板保持具１２の少なくとも何れかに設けられている。
【００３６】
図４に、本実施形態の結晶成長装置１における基板保持具１２とサセプタ１３との間の位置関係の一例を示す。図４中、Ｗｃは基板の中心、１４ｃは回転軸１４の中心、矢印は回転軸１４の回転方向を表す。
【００３７】
図４に示すように、基板保持具１２はサセプタ１３との接触部分に凹部１２ａを有し、サセプタ１３は基板保持具１２との接触部分に凸部１３ａを有する。これにより、基板保持具１２がサセプタ１３に載置されると、凹部１２ａと凸部１３ａとが嵌合されるため、基板保持具１２とサセプタ１３との間の位置ずれはほとんど生じない。すなわち、基板中心Ｗｃ（又は基板保持具１２の中心）と回転軸中心１４ｃとの位置ずれを低減することができる。
【００３８】
さらに、この状態で基板Ｗを回転させながら基板処理を行う場合、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとが一致又はほとんど一致しているため、基板Ｗの円周方向の膜厚ばらつきは低減され、歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
また、凹部１２ａ及び凸部１３ａには、テーパがつけられている（テーパ部が形成されている）ことが好ましい。すなわち、基板保持具１２に設けられた凹部１２ａは、サセプタ１３に近い側ほど広くなっていることが好ましい。また、サセプタ１３に設けられた凸部１３ａは、基板保持具１２に近い側ほど狭くなっていることが好ましい。これにより、テーパの範囲内であれば、搬送誤差があった場合においても、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとを一致させるように自動位置合わせすることができる。
【００４０】
また、凹部１２ａ及び凸部１３ａは、共摺りにより形成された一対の接合部であることが好ましい。これにより、自動位置合わせによって、基板中心Ｗｃ（又は基板保持具１２の中心）と回転軸中心１４ｃとの位置ずれをより低減することができる。
【００４１】
また、基板保持具１２における回転軸中心１４ｃから基板保持具１２の周に直交するように引いた線分の最大値をａ［μｍ］、最小値をｂ［μｍ］としたとき、
（ａ−ｂ）／２≦１００
を満たすことが好ましい。これにより、基板Ｗの円周方向の膜厚ばらつきをより低減し、歩留まりをより向上させることができる。
【００４２】
以上に説明したように、本実施形態に係る結晶成長装置１によれば、基板Ｗの円周方向の膜厚ばらつきを低減し、歩留まりを向上させることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、基板保持具１２のサセプタ１３との接触部分に凹部１２ａが形成され、サセプタ１３の基板保持具１２との接触部分に凸部１３ａが形成された形態について説明したが、これに限定されない。例えば、基板保持具１２のサセプタ１３との接触部分に凸部が形成され、サセプタ１３の基板保持具１２との接触部分に凹部が形成されていても良い。
【００４４】
また、本実施形態では、サセプタ１３と回転軸１４とが直接接続されている形態について説明したが、これに限定されず、回転軸１４が回転するとサセプタ１３が回転する形態であれば良く、例えば、サセプタ１３と回転軸１４とが間接的に接続されていても良い。
【実施例】
【００４５】
［実施例１］
次に、前述した本実施形態に係る結晶成長装置１を用いて、基板Ｗとしての直径が３インチ（７６．２ｍｍ）のＧａＡｓ基板に、化合物半導体結晶としてのアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）を結晶成長させた。ここで、実施例１に係る結晶成長装置１においては、図４に示すように、基板保持具１２はサセプタ１３との接触部分に凹部１２ａを有し、サセプタ１３は基板保持具１２との接触部分に凸部１３ａを有する。
【００４６】
以下、化合物半導体結晶の結晶成長方法について具体的に説明する。
【００４７】
まず、図示しないゲートバルブを開口して搬送アーム上に載置された基板Ｗが保持された基板保持具１２を図示しないロードロック室から反応管１０内に搬入し、サセプタ１３上に載置する。このとき、基板保持具１２はサセプタ１３との接触部分に凹部１２ａを有し、サセプタ１３は基板保持具１２との接触部分に凸部１３ａを有する。このため、基板中心Ｗｃ（又は基板保持具１２の中心）と回転軸中心１４ｃとが自動的に位置合わせされる。基板保持具１２の搬入後、図示しないゲートバルブが閉じられる。
【００４８】
次に、前述した保管部３４ａ、３４ｂの温度、キャリアガスとしてのＨ２の圧力及び流量を制御することによって、III族系ガス供給部３１からＴＭＡｌガス及びＴＭＧａガスを所定の流量でリアクタ１１に供給する。また、Ｖ族系ガス供給部５１からＡｓＨ３ガスを所定の流量でリアクタ１１に供給する。
【００４９】
次に、図示しない排気装置により反応管１０内の圧力を減圧し、図示しない圧力調整バルブを調整することにより、反応管１０内を所定の圧力に調整する。また、サセプタ１３の内部に設けられた図示しないヒータにより基板Ｗを加熱する。また、回転軸１４を回転させることにより、基板Ｗ、基板保持具１２、サセプタ１３を回転させる。
【００５０】
なお、前述したガスの供給、圧力の調整、基板Ｗの加熱及びサセプタ１３の回転を実施する順番は、特に限定されるものではない。
【００５１】
ＴＭＡｌ［（ＣＨ３）３Ａｌ］ガス、ＴＭＧａ［（ＣＨ３）３Ｇａ］ガス及びＡｓＨ３ガスは、ＧａＡｓ基板上で以下の式（１）に示されるように反応し、ＡｌＧａＡｓがＧａＡｓ基板の結晶方位を維持しながらＧａＡｓ基板上に結晶成長する。
ｘ（ＣＨ３）３Ａｌ＋（１−ｘ）（ＣＨ３）３Ｇａ＋ＡｓＨ３→ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ＋３ＣＨ４↑  …（１）
以上の方法により、実施例１のＡｌＧａＡｓ結晶をＧａＡｓ基板上に成長させた。また、ＧａＡｓ基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚を測定した。
【００５２】
［比較例１］
図３に示すように、基板保持具１２が凹部１２ａを有しない点及びサセプタ１３が凸部１３ａを有しない点以外は、実施例１と同様の結晶成長装置１を用いることによって、比較例１のＡｌＧａＡｓ結晶をＧａＡｓ基板上に成長させた。また、ＧａＡｓ基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚を測定した。
【００５３】
［評価結果］
次に、実施例１及び比較例１で作製したＡｌＧａＡｓ結晶の評価結果について説明する。
【００５４】
図５（ａ）に実施例１のＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚分布を測定した結果を示す。また、図５（ｂ）に比較例１におけるＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚分布を測定した結果を示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）中、左側に示す円形部分は基板Ｗを表す。また、「ｈｉｇｈ」はＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚が厚いことを表し、「ｌｏｗ」はＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚が薄いことを表す。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、実施例１におけるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚は、同心円状に近い分布となっていることが確認できた。一方、図５（ｂ）に示すように、比較例１におけるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ結晶の膜厚は、同心円状からずれた分布となっていることが確認できた。例えば、図５（ｂ）中、右上部分と左下部分とを比較すると、右上部分で厚く、左下部分で薄くなっている。
【００５６】
すなわち、実施例１における基板Ｗの円周方向の膜厚ばらつきは、比較例１における基板Ｗの円周方向の膜厚ばらつきと比較して低減していることが確認できた。
【００５７】
次に、基板Ｗの円周方向の膜厚分布（ばらつき又は偏りとも呼ぶ）を評価するために、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて、膜厚の数値化を行った。具体的には、基板Ｗの中心から半径方向に２５ｍｍの点を含む円周を、８等分したときの点における膜厚を各々測定し、測定した各々の膜厚のうち最大値と最小値とを用いて、（最大値−最小値）／平均値を算出し、円周方向の膜厚分布とした。ここで、平均値は、図５（ａ）又は図５（ｂ）における基板Ｗ全体の膜厚の平均の値を用いた。
【００５８】
図５（ｃ）に、実施例１及び比較例１に係る基板Ｗの円周方向の膜厚分布（ばらつき又は偏りとも呼ぶ）と歩留まりの評価結果を示す。図５（ｃ）中、Ｘ軸（横軸）は基板Ｗの円周方向の膜厚分布であり、Ｙ軸（縦軸）は歩留まりである。また、黒菱形印は実施例１で成長させたＡｌＧａＡｓ結晶についてのプロットであり、いずれの黒菱形印においても、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとの位置ずれδＣは、１００μｍ以下であった。また、白菱形印は比較例１で成長させたＡｌＧａＡｓ結晶についてのプロットであり、いずれの白菱形印においても、基板中心Ｗｃと回転軸中心１４ｃとの位置ずれδＣは、１００μｍより大きかった。
【００５９】
図５（ｃ）に示すように、δＣが１００μｍ以下の場合、基板Ｗの円周方向の膜厚分布が１％以下と小さく、歩留まりは高い値を維持し、良好であることが確認できた。
【００６０】
一方、δＣが１００μｍよりも大きい場合、基板Ｗの円周方向の膜厚分布は１％より大きく、歩留まりは基板Ｗの円周方向の膜厚分布と負の相関を示すことが確認できた。
【００６１】
以上、結晶成長装置１を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【００６２】
例えば、本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法により基板Ｗに化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置１について説明したが、これに限定されない。結晶成長装置１としては、例えば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法により、基板Ｗに化合物半導体結晶を成長させる結晶成長装置１等が挙げられる。
【００６３】
また、本実施形態では、基板ＷにIII−Ｖ族半導体結晶を成長させる形態について説明したが、これに限定されず、II−ＶI族半導体結晶を成長させる形態であっても良い。この場合、III族元素を含むIII族系ガスに代えて、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）等のII族元素を含むII族系ガスを用いる。また、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスに代えて、例えば酸素（Ｏ２）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等のＶI族元素を含むＶI族系ガスを用いる。
【符号の説明】
【００６４】
１  結晶成長装置
１２  基板保持具
１２ａ  凹部
１３ａ  凸部
１３  サセプタ
１４  回転軸
Ｗ  基板
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６５】
【特許文献１】特開２０１０−１９２７２０号公報
【図１】
2015130382.tif 000003
【図２】
2015130382.tif 000004
【図３】
2015130382.tif 000005
【図４】
2015130382.tif 000006
【図５】
2015130382.tif 000007