(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サセプタ（５）内に配置した基板（３）上に化学気相成長によって物体をエピタキシアル成長させる方法であって、前記成長用の成分を含む混合ガスをサセプタ内の基板に供給し、サセプタを加熱することで基板及びそれに供給される混合ガスを加熱し、基板が前記混合ガスがサセプタを通過する経路上に、サセプタ（５）の内壁（１４、１５）からある距離（ａ）を離して支持され、前記ある距離（ａ）が、サセプタの先端によってサセプタ内のガス流の上流側に発生する、低速混合ガスの境界層（１）の層厚以上であることを特徴とする方法。
【請求項２】
サセプタの内壁から前記距離を置いて混合ガスの流れ経路に沿って直列に２枚以上の基板（３）が支持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
サセプタが、前記経路が実質的に水平になるように配置され、１枚以上の基板（３）が上面（１４）から前記距離を離して支持され、１枚以上の基板が底面（１５）から前記距離を離して支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
基板（３）上に化学気相成長によって物体をエピタキシアル成長させる装置であって、前記基板を受け取るためのサセプタと、基板の周辺のサセプタ（５）の壁を加熱し、よって基板及び成長のために基板に供給される混合ガスを加熱する手段とを有し、更に基板を前記混合ガスがサセプタを通過する経路上に、サセプタ（５）の内壁（１４、１５）からある距離（ａ）を離して支持する手段（７、１０）を有し、前記ある距離（ａ）が、サセプタの先端によってサセプタ内のガスの流れの上流側に発生する、低速混合ガスの境界層（１）の層厚以上であることを特徴とする装置。
【請求項５】
前記手段（７）が、サセプタの、混合ガスがサセプタ内を流れる方向に対する後部（２４）から、前記流れとは逆の方向に延び、その全長に亘ってサセプタの前記内壁から離れており、接触しないことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記支持手段（７）が、前記流れ方向に対して前記後部（２４）から距離を置いて基板（３）を支持することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記支持手段（７）が、前記内壁（９）によって画定され、前記成長を行うためのサセプタの処理室（２９）の外部に固定され、その内部の壁に一切接触せずに該処理室内に延びることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記支持手段が、前記処理室（２９）の外部でサセプタに固定される部材（２５）を有し、該部材が２本以上のフォーク（２６）を有するフォーク構造を有し、該フォークはサセプタの対向する側壁に固定されながら、該側壁によって処理室（２９）から離れていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記部材（２５）が、前記流れとは逆方向に前記処理室内に延びる部分（３０）を有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記支持手段が、ザセプタの前記処理室（２９）の外部に固定され、該処理室内に延び、基板（３）が載置されるプレート（１０）を支持する部材（２５）を有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記部材（２５）の前記部分（３０）が前記プレート（１０）を支持することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記支持手段が、基盤が載置されるＳｉＣからなるプレート（１０）を有することを特徴とする請求項４乃至１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記支持手段が、サセプタの内壁（１４，１５）から前記距離（ａ）を置いて混合ガスの流れ経路（８）に沿って直列に２枚以上の基板（３）が載置されるプレート（１０）を有することを特徴とする請求項４乃至１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
サセプタが、前記経路（８）が実質的に水平に通過するように配置され、一方は１枚以上の基板（３）を上面（１４）から前記距離を置いて支持し、他方は１枚以上の基板が底面（１５）から前記距離を置いて支持する２つの支持手段（７、１０）を有することを特徴とする請求項４、１２，１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記手段（７，１０）が、前記混合ガスのための給気口と排気口との間の、前期経路に対するサセプタの中央付近（１３）に基盤（３）を指示することを特徴とする請求項４乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記手段（７、１０）が、基板（３）を混合ガスのサセプタ内の流れの経路に対して傾けて支持し、基盤の表面と直交する線が該流れとは逆の方向の成分を有することを特徴とする請求項４乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
サセプタが、下流側において、加熱手段（６）の端部より実質的に延びる排気口（１９）によって延長されていることを特徴とする請求項４乃至１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記ガスの流れのためのサセプタの排気口の下流にサセプタに熱エネルギーを撥ね返すための１つ以上の熱シールド（１７）が設けてあることを特徴とする請求項４乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
サセプタの上流側に取り付けられ、混合ガスをサセプタ内に導く収束する壁からなる給気口（２０）を有することを特徴とする請求項４乃至１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
サセプタ（５）の壁が高密度黒鉛からなることを特徴とする請求項４乃至１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
加熱手段（６）が、電磁界を発生することを特徴とする請求項４乃至２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
ＳｉＣ、グループＩＩＩ窒化物又はＳｉＣ及び１つ以上のグループＩＩＩ窒化物又は２つ以上のグループＩＩＩ窒化物の合金からなる物体の成長に使用されることを特徴とする請求項４乃至２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
前記加熱手段（６）が、前記サセプタと、それによって前記基板（３）及び混合ガスを１４００℃以上の温度まで加熱することを特徴とする請求項４乃至２２のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野及び従来技術】
本発明は、基板上の化学気相成長による物体のエピタキシアル成長のための装置であって、該基板を受け取るためのサセプタと、基板の周辺のサセプタの壁を加熱し、それによって成長用に基板上に送り込まれる混合ガスも加熱する装置、及び添付の独立方法請求項の序文による方法に関するものである。
【０００２】
物体はどのような物質からなるものであるかに依存しないが、本発明は主に、ＳｉＣ及び第ＩＩＩ族元素の窒化物等の半導体物質の結晶の成長に関するものであるが、それらに限定されない。その理由は、化学気相成長（ＣＶＤ）用の装置の大きな課題の一つは、商業的に有用な物体が得られる程度の高い成長率を得ることであり、上記の物質ではこの課題が顕著となり、成長のために非常に高い温度を必要とし、より高い成長率を得るために温度を一層高くする必要があるからである。
【０００３】
ＳｉＣは半導体装置への利用に向いているため、説明のためにＳｉＣの結晶の成長について述べるが、決して本発明がそれに限定される訳ではない。得られた物体の結晶度が高いことも重要であるが、本発明は主に商業的に適用可能な成長率を得ることを目的とする。但し、結晶度を低下させないものである。
【０００４】
ＳｉＣの単結晶は、例えばダイオード、トランジスタ及びサイリスタ等において、特にＳｉと比較して優れた特性を有するＳｉＣの利点、即ちＳｉＣの極端な状況下でも正常に働く能力を活かすことができるような、様々な種類の半導体装置に適用される。例えば、ＳｉＣの価電子帯と伝導帯との間の禁止帯が広いため、この材質からなる装置は１０００Ｋ迄の高温でも作動する。
【０００５】
上述のように、充分に高い成長率を得るため、サセプタと、それによって基板に供給される混合ガスを２０００℃以上に迄温度を上げようとする試みもされている。これはある程度は成功しているものの、高温の影響で、装置の各部分の材質の耐熱性や不純物の浸入等、様々な問題が生じる。
【０００６】
そのため、品質を低下せずに成長率を上げる方法、特に成長率を一層高くするための高温の使用等、成長率を高めるための他の方法との組み合わせは非常に有望視されている。従って、これを実現できる装置及び方法は商業的な利用価値が高い。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の目的は、品質を低下させることなく、ＣＶＤによって物体を成長させる際の成長率を上げることを可能とする前述のような方法及び装置を提供することである。
【０００８】
この目的は、サセプタ内の混合ガスの経路上に、内壁からある距離を置いて基板を支持するための手段を有する装置と、サセプタ内の混合ガスの経路上に、内壁からある距離を置いて基板を支持する方法とを提供することで実現する。
【０００９】
発明者らは、成長率が依存する１つの重要なパラメータが境界層の厚さであることを見出した。この境界層は、前記混合ガスの流量がサセプタの中央部より低い層である。サセプタの上流側の先端によってこのような境界層が生じ、図１において従来の装置におけるこの境界層１の様子を示した。境界層の自由ストリームからの種の拡散は成長にとって重要である。この拡散は、一般的に拡散距離２の二乗に依存する。また、混合ガスが基板に到達する前に所望の温度まで加熱する必要があり、混合ガスは、ここでは電磁コイルからなるサセプタを包囲する加熱手段６によって加熱されるサセプタの壁からの熱放射によって加熱されるため、基板３を直接サセプタ５の先端４に配置することは不可能である。従って、基板を前記先端４より実質的に下流に配置する必要があり、よって従来の装置では拡散距離２が非常に大きくなってしまっていた。
【００１０】
従って、本発明では基板をサセプタの内壁から離し、サセプタの先端４によって発生する境界層１の影響を軽減するか、その距離が充分に大きい場合、完全になくすことができる。そうすると、混合ガスから基板の表面への種の拡散距離は実質的に縮み、成長率を大きく向上させることができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施態様によれば、前記の手段は基板をサセプタの内壁面から少なくとも、サセプタ内部の基板の上流側の端部によって作り出される流速が遅い混合ガスの層の厚さに相当する距離だけ離して支持される。サセプタの先端部によって発生する境界層は、基板に対して混合ガスの自由な流れからの拡散距離を生じず、基板に隣接する境界層は前記の支持手段と基盤の先端部からの距離のみに依存し、この距離は必要に応じて小さくすることができるので、基板をサセプタの内壁面から上記の距離だけはなすことが好ましい。
【００１２】
発明の別の実施例によれば、前記の手段はサセプタ内の混合ガスの流れの下流方向から、その全長にわたってサセプタの内壁に全く接触せずに、ガス流の流れとは逆の方向に延びるものである。このことは、サセプタの壁面と指示手段との間の温度勾配に起因するサセプタの内表面からの物質の移動が生じないことを意味する。サセプタの内壁面がＳｉＣのような保護材料によって被覆されている場合、このような構成でなければ物質は支持手段に移動し、被覆の下にある通常グラファイトである下層が露出してサセプタ内の炭化水素の圧力を増大させることになる。したがって、サセプタの寿命が短くなり、サセプタに起因する不純物が制御されていない成長パラメータの一つになる。しかし、この問題は上記の実施例の構成によって解決することができる。
【００１３】
本発明の他の好ましい実施例によれば、前記支持手段は、内壁によって定義され成長が行われるサセプタ室の外で支持されており、このサセプタ室の壁面と接触することなく室内に達する。前記支持手段は、室外においてサセプタに固定された部材を有し、この部材は、部屋を分割するようにサセプタの対向する壁面に取り付けられた２つのフォークを有するフォーク状である。この構成は、前述の材料移動の問題を解決するのに好ましい。
【００１４】
本発明の別の実施例によれば、前記支持手段は板を有し、この板上には少なくとも２つの基板が混合ガスの流れの方向に並べて、サセプタの壁面から前述の距離を開けて設置される。このような混合ガスの流れの方向に基板を並べることによって、複数の対象物に対して成長を行わせることができるので成長率を向上させることができる。このことは、基板がサセプタの内壁面から距離を開けて支持され基盤がサセプタの壁面と接触せずに輻射によってのみ過熱され、混合ガスの流れの方向に沿った温度の勾配が顕著に低減されることによって可能になるものである。すなわち、このことはサセプタ内の非常に長い範囲にわたって実質的に均一な温度が実現され、このように成長が行われる２つの物体は実質的に同一の成長条件の本で実質的に同一の品質を得ることができることを意味している。
【００１５】
発明の他の実施例によれば、サセプタはその内部にほぼ水平方向に流路を形成するように構成されており、装置は２つの支持手段を有し、一方はサセプタの天井部分に上述の距離を開けて接続され、他方はサセプタの底部に上述の距離を開けて接続されている。このことによって、従来知られている装置にように低部に１つの基板を支持する構成に比較して生産効率を２倍にすることができる。
【００１６】
本発明の他の実施例によれば、前記支持手段は基盤を、サセプタ内を流れる混合ガスの流路に対して傾斜するように、基板面に対する垂線がガス流の流れ方向と逆向きの成分を有するように保持する。基板を傾斜させることによって成長条件を最適化できると共に成長率を増大させることが可能である。
【００１７】
発明の他の実施例によれば、サセプタの下流側の端部には加熱手段の長さ以上に延長された排気口が形成されている。このことにより、サセプタ内部の流れ方向の温度勾配が低減され、複数の基板をガス流の方向に並べても同一の成長を確保できることを意味している。誘導加熱の場合には、さらに、端部の影響と渦流を、サセプタの後部から排気口の後部に異動させ、より好ましい温度分布を実現できることを意味する。
【００１８】
発明のさらに他の実施例によれば、サセプタの下流側の排気口の下流に少なくとも１つの熱シールドが設けられて、熱エネルギーをサセプタの方に反射する。この構成はサセプタ内部の温度勾配を低減することが可能で、特にサセプタの中央部から末端部へかけて温度が実質的に全く低下しないようにすることができるので、サセプタ内に複数の対象物を並べて同じ成長条件で成長を行わせることができる。
【００１９】
本発明のさらに別の実施例によれば、装置にはサセプタの上流側に、壁面が絞られてガスをサセプタ内に導く吸気孔が設けられており、サセプタ内部の流路パターンを改善することができる。
【００２０】
本発明の方法の各実施形態の利点は、上記の本発明による装置の各実施形態の説明から明らかである。
【００２１】
本発明の更なる利点や特徴は、以下に述べる説明や他の従属請求項において明確となるであろう。
【００２２】
【発明の好適な実施形態の詳細な説明】
図２には、本発明の好適な実施形態による方法で、下記の説明において一例としてＳｉＣとする物体のエピタキシアル成長のための本発明の好適な実施形態による装置の一部を示した概略図である。この装置はポンプ等の他の手段をも有することは自明であるが、本発明には直接関係ない従来部分は、発明の特徴をより明確にするために省略してある。この装置と図１に示す従来の装置との唯一の差は、本発明において基板３が、サセプタ内の配置が図１のものとは違うことである。より正確に云えば、サセプタの内壁９、この場合は底面からある間隔を置いて混合ガスのサセプタ内における経路８上に基板を支持する手段７が設けてある。ここで、この支持手段は、基板３が載置される好ましくはＳｉＣからなるプレート１０の各角に設けてある４つの黒鉛製のねじである。ねじの代わりに流れ方向に延びる２本の黒鉛製のリブによってプレートを支持することもできる。これによってＳｉＣプレート１０は基板の裏側のエッチングを防止する。
【００２３】
支持手段は、サセプタの前端４によって形成される境界層１の厚さを超える間隔で内壁９から距離を置いて設けてある。よって、基板上の境界層の厚さ１１はプレート１０の前端１２と基板３との間の距離に依存することとなる。既に述べてあるように、この距離は任意に短くすることができ、サセプタを通過する種の自由流れによる拡散距離をかなり小さくし、成長率を上げることができる。
【００２４】
ＳｉＣの結晶を成長させる場合、前記混合ガスはシラン及びプロパンと共にＡｒ、Ｈ2又はＨｅ等のキャリアガスからなるものであることが好ましい。エピタキシアル成長させるＳｉＣ結晶の表面にＳｉ及びＣを付着させるよう、加熱手段６はサセプタの壁を通して加熱したシラン及びプロパンを分解させ得る程の高い温度にサセプタを加熱する。これは代表的には１４００℃以上、好ましくは１６００℃以上の温度である。
【００２５】
基板３は、前記経路に対してサセプタの中央領域１３に設けてあり、基板３まで到達するまで前駆体を充分に加熱する必要があるため、サセプタの更に上流に配置することは困難である。
【００２６】
基板３をサセプタの内壁から離し、その壁とは実質的に（支持手段７以外に）接触しないことによる他の利点は、プレートの表と裏とで然程大きな温度差がないため、ＳｉＣプレート１０の裏側の逆成長を減らすことができる。
【００２７】
図３に、本発明の第二の実施形態による装置を示す。この実施形態は２つの支持手段７を有し、一方は基板３を前記間隔を置いて支持するためにサセプタの上面に取り付けてあり、他方は他の基板を前記間隔を置いて支持するためにサセプタの下面１５に取り付けてある。この場合、２枚の基板が混合ガスの流れ経路に沿って直列に配置され、これは実質的に熱エネルギーがプレート及び基板に伝達されるのは放射によってのみであるため、流れ方向における温度勾配が実質的に低下することによって可能である。従って、プレート上に直列に配置された基板はほぼ等しい温度となり、基板は実質的に同一の条件で成長させることができる。この実施形態によると、拡散距離が短くなり、より多くの基板を同時にサセプタ内に収納できる結果、ＳｉＣの層を形成する効率を従来より高くすることができる。より具体的に、短い拡散距離による成長率をかなり高くすることができることが判った。また、上面プレートにも下面プレートにも２×２枚の基板を設けることも考えられ、その場合には製造率を更に大きくすることができる。
【００２８】
図４に、本発明の第三の実施形態による装置を示す。これは、支持手段が基板３を前記混合ガスのサセプタ内の流れ経路に対して傾かせ、基板の表面に直交する線が流れとは逆の方向への成分を有するように支持する構造となっていることが図２に示すものと違う。基板３の表面と流れ方向との間の角度は小さく、好ましくは１乃至１５°である。その結果、成長に最適な条件が得られる。
【００２９】
図５に、本発明の第四実施形態による装置の概略を示す。ここで、高密度黒鉛からなるサセプタ５の壁が発泡体からなる断熱層１６によって囲まれていることが判る。矢印１８で示すように、サセプタに熱エネルギーを反射するため、サセプタのガス流用の排気口の下流に熱シールド１７が設けてある。従来のサセプタの最も熱い個所はサセプタの中央付近にある。この個所から離れるに従って温度は低下する。温度の低下は熱伝導によって起きる。図５に示す装置では、排気口／端部の壁は放射によって周囲とエネルギーを交換する。放射エネルギーは温度の４乗に比例するため、周囲の影響はほとんどない。熱シールドは排気口／端部の壁により近い温度を見出し、シールドからサセプタへのエネルギーは無視できなくなり、エネルギーはシールド内に閉じ込められる。よって、サセプタの端部においても中央付近と実質的に同じ温度条件で物体を成長させることができ、成長可能領域をより広くし、同時により多くの物体を成長させ、装置の製造率を上げることが可能である。
【００３０】
図６に、本発明の第五実施形態による装置を示す。既に示したものとの相違点は、サセプタ５がその下流側で排気口１９によって加熱手段６の端部より長く延長されていることである。よって、排気口がサセプタを冷却流及び熱放射損失から保護するため、そして排気口１９がコイルによって加熱されるため、サセプタからの熱損失が抑えられる。更に、端効果とその渦等がサセプタの後部から排気口の後部に移る。最後に、排気口はサセプタから排出される熱流の流れ条件をより良くする拡散器の機能をも果す。従って、サセプタの配置を変更せずにサセプタ内で成長させることができる物体の数を増やすことができる。
【００３１】
図7に、発明の第六実施形態による装置を示す。これは、内壁５が傾いていることで図５に示すものとは異なり、図4に示す実施形態と同様の効果が得られる。更に、サセプタの方向にすぼまり、混合ガスをサセプタ内に導く漏斗型給気口２０が設けてある。給気口２０は、サセプタを囲む外部石英筒から延びる石英からなる第一部２１及びサセプタと接続する黒鉛からなる第二部２３を含む。漏斗は一端が直径が石英筒２２と等しい円形状であり、他端がサセプタの給気口の寸法と等しい四角形状である。この漏斗は混合ガスのフローパターンを改善し、サセプタを冷却ガスから保護し、サセプタに導入される前のガスをより効率的に予備加熱し、サセプタの放射損失を抑え、剛性黒鉛断熱体１６からガス流を遮蔽し、そこで発生する不純物の量を低減する。給気口は、全体を黒鉛を加工して形成することが非常に困難（又は不可能）であるので２つの異なる材料からものである。
【００３２】
図８及び９に、発明の第七実施形態による装置を示す。上述の他の形態との相違点は、基板３の支持手段７がサセプタ内の混合ガスの流れ方向に対するサセプタの後部２４より流れの逆の方向に延び、同時に前記後部からの延長部においてサセプタの内壁から離れており、接触しない。より具体的に、支持手段はサセプタの対向する側壁２７、２８に固定されながら、それによって成長を行う処理室２９から離れている２本の外側フォーク２６を含むフォーク形状を有する部材２５を具備する。これは、フォーク２６を受けるための縦長溝を壁に設けることで実施する。部材２５は更に流れとは逆の方向に処理室２９内に延びる２本の内側フォークからなる部分３０も有する。これらは、処理室内に延び、基板３、この場合は２枚の基板が載置される好ましくはＳｉＣからなるプレート１０を支持するような構造を有する。
【００３３】
支持手段がプレート１０を、そしてそれによって基板３を、サセプタ室のいずれの内壁も、即ち下面、上面又は側面の壁と接触せずに支持することができるので、温度勾配による壁から支持手段への物質移転の問題が効率的に回避され、支持手段が内壁に固定される他の実施形態よりサセプタの寿命を延ばすことができる。この場合、サセプタの壁と支持手段との間の温度勾配によって、壁のＳｉＣコーティングが支持手段（ロッド）に移ってしまう。それによって、特定の時間が経つとサセプタの黒鉛が露出し、反応器内の総圧力が高くなる。これは、ローディングプレートが直接サセプタの底面に置かれる場合にも重要な課題となる。これにより、サセプタの寿命が減るが、それより致命的なのは、サセプタを早いうちにサセプタから取り出さなければ、さらにサセプタからの炭素プラス不純物等の成長パラメータが乱れてしまう。この基板の支持方法の他の非常に大きな利点は、異なるバッチの物体の成長条件がほぼ同一となり、物体の再現性が優れていることである。これは、好ましくは嵌ることで各基板の位置を決定するローディングプレートには示さない小さなマークを設けたことと、フォーク２６を溝の中に非常に正確に位置付けできることによってことなるバッチの基板が常に同じ位置となるからである。ガス流に対する基板の角度は常に一定である。
【００３４】
本発明が上述の装置及び方法の好ましい実施形態に限られないことは云うまでもなく、当業者であれば、本発明の基本的概念から逸脱することなく数々の変更が明らかとなるであろう。
【００３５】
請求項における「物体」とは、異なる厚さの層や熱いボウル等、あらゆる種類の結晶のエピタキシアル成長をも含むと云う意味で使用する。
【００３６】
材質等に関する定義は勿論必然的に存在する不純物や意図的なドーピング等も含む。支持手段は、上述するものとは外観や材質が異なる場合も考えられる。
【００３７】
サセプタの対向する壁の間の距離や基板とサセプタの壁との間の距離等の相対的寸法は図面に示すものとはまったく異なることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による装置を示した縦断面図である。
【図２】  本発明の第一実施形態による装置の一部を示した図１と同じ視点から見た図である。
【図３】  本発明の第二実施形態による装置を図２と同じ視点から見た図である。
【図４】  本発明の第三実施形態による装置を図２と同じ視点から見た図である。
【図５】  本発明の第四実施形態による装置を図２と同じ視点から見た図である。
【図６】  本発明の第五実施形態による装置を図２と同じ視点から見た図である。
【図７】  本発明の第六実施形態による装置を図２と同じ視点から見た図である。
【図８】  本発明の第七実施形態による装置を図２と同じ視点から見た概略図である。
【図９】  図８に示した装置を、図８の視線と実質的に直角方向の、即ち上方の視点から見た断面図である。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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