(57)【要約】【課題】サセプタの高純度化作業を短時間且つ容易に実施できる気相成長装置及び気相成長装置用サセプタの高純度化方法を提供すること。【解決手段】半導体基板１１がヒータによる加熱状態下でサセプタ１７により保持される反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、半導体基板１１の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置において、上記サセプタ１７に電極２１が設置され、この電極２１を介してサセプタ１７が通電により直接加熱可能に構成され、上記サセプタ１７及び電極２１が炭素にて構成されたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板が加熱状態下でサセプタにより保持される反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記半導体基板の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置において、
上記サセプタに電極が設置され、この電極を介して上記サセプタが通電により直接加熱可能に構成されたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
上記サセプタが、炭素繊維にて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
上記サセプタが、炭化珪素にて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
上記電極が、上記サセプタと同一材質にて構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項５】
半導体基板が加熱状態下でサセプタにより保持される反応炉内に原料ガスを導入し、上記半導体基板の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置に用いられる上記サセプタの高純度化方法において、
上記サセプタを通電加熱することにより、上記サセプタの不純物を除去することを特徴とする気相成長装置用サセプタの高純度化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置及び気相成長装置用サセプタの高純度化方法に関し、特に、半導体基板を保持するサセプタの純化処理の改善を図った気相成長装置及び気相成長装置用サセプタの高純度化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すように、複数枚の半導体基板５１を保持するサセプタ５０を用いて、ヒータによる加熱状態下で半導体基板５１を反応炉に設置し、反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、半導体基板５１の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この半導体基板５１の結晶成長時には、サセプタ５０の表面にも半導体結晶が堆積する。この堆積層が厚くなると、半導体基板５１の表面に成長する半導体結晶の膜厚分布が不均一になるため、サセプタ５０を交換する必要がある。
【０００４】
このサセプタ５０は、一般に、熱伝導性の良好な炭素にて構成されている。しかし、この炭素は、多数の気孔を含有する気孔質ないし多孔質な材料であり（図６）、サセプタ５０の保管時・洗浄時などに気孔２０中に水分等の不純物が浸入してしまう。この不純物を除去するために、サセプタ５０の交換後であって反応炉５２内で結晶成長を実施する前に、サセプタ５０のみを高温加熱して、このサセプタ５０を強制的に脱ガスさせる高純度化作業が実施される。
【特許文献１】特開２００４‐１０３７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の高純度化作業は、交換したサセプタ５０を反応炉内のヒータの輻射熱によって加熱するものである。ところが、このヒータはサセプタ５０から離れた位置に配置されているため、サセプタ５０を加熱する効果が低く、当該サセプタ５０の不純物を脱ガスしにくい。このため、高純度化作業に長時間を要し、生産効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、サセプタの高純度化作業を短時間且つ容易に実施できる気相成長装置及び気相成長装置用サセプタの高純度化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、半導体基板が加熱状態下でサセプタにより保持される反応炉内に原料ガスを導入し、この原料ガスの熱分解及び化学反応により、上記半導体基板の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置において、上記サセプタに電極が設置され、この電極を介して上記サセプタが通電により直接加熱可能に構成されたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記サセプタが炭素繊維にて構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記サセプタが炭化珪素にて構成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、上記電極がサセプタと同一材質にて構成されたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、半導体基板が加熱状態下でサセプタにより保持される反応炉内に原料ガスを導入し、上記半導体基板の表面に半導体結晶を気相成長させる気相成長装置に用いられる上記サセプタの高純度化方法において、上記サセプタを通電加熱することにより、上記サセプタの不純物を除去することを特徴とするものである。
【００１２】
通電加熱は、従来の輻射による加熱（外部加熱）とは異なり、被加熱体であるサセプタの内部から発熱する加熱（内部加熱）であるため、急速且つ均一な加熱となる。サセプタの通電加熱は、通常、気相成長装置にサセプタをセットして行うが、通電加熱用の電源及び電極を備えた専用の加熱装置を作製し、この専用の加熱装置を用いてサセプタの通電加熱による高純度化処理を行うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項1に記載の発明によれば、基板を保持するサセプタに電極が設置され、この電極を介してサセプタが通電により直接加熱可能に構成されたことから、サセプタの交換後、当該サセプタの気孔中に存在する不純物を加熱により除去する高純度化作業時に、当該サセプタに電極を介して通電して、このサセプタを直接加熱できる。従って、このサセプタの直接加熱によれば、反応炉内に設置されたヒータを用いて輻射熱によりサセプタを加熱し高純度化する場合に比べ、サセプタの気孔中に存在する不純物を迅速且つ確実に除去できるので、サセプタの高純度化作業を短時間且つ容易に実施できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、サセプタが炭素繊維にて構成されたことから、炭素製のサセプタの場合に比べ通電による加熱効率が高くなるので、通電加熱による高純度化作業の作業効率を高めることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、サセプタが炭化珪素にて構成され、この炭化珪素が炭素に比べて耐薬品性に優れることから、サセプタを再利用のために薬品を用いて洗浄する洗浄時に、このサセプタ内の気孔中に不純物である水分が浸入しにくい。このため、サセプタの交換後に当該サセプタ中に存在する不純物を除去するための高純度化作業を更に短時間で実施することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、電極がサセプタと同一材質、つまり炭素または炭素を含む材質にて構成されたことから、電極の熱伝導性が良好となり、電極を介してサセプタに通電することで当該サセプタを加熱する高純度化作業時に、当該サセプタを良好に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る気相成長装置の一実施形態を示す構成図である。この図１に示す気相成長装置１０は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて、半導体基板１１上に半導体結晶を気相成長させて、半導体素子（半導体レーザーやＦＥＴ、ＨＥＭＴなど）用のエピタキシャル基板を製造するものである。
【００１９】
上記気相成長装置１０は、シリンダキャビネット１２、反応炉１３及び排気系１４を有して構成される。シリンダキャビネット１２に原料ガスボンベ２４が設置され、この原料ガスボンベ２４から反応炉１３へ原料ガスが供給される。
【００２０】
原料ガスとしては、ＡｓＨ３（アルシン）、ＰＨ３（ホスフィン）などのＶ族ガスと、Ｇａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ（ＣＨ３）３（トリメチルインジウム）、Ｇａ（ＣＨ３ＣＨ２）３（トリエチルガリウム）などのIII族ガスと、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）、Ｈ２Ｓｅ（セレン化水素）などのドーパントとが代表なものである。
【００２１】
上記反応炉１３内には反応管１６が設置されている。気相成長時には反応管１６に、半導体基板１１がセットされた状態のサセプタ１７を配置し、サセプタ１７及び半導体基板１１をヒータ１８により加熱する。そして、反応管１６内に原料ガスを導入することで、原料ガスが熱分解して半導体基板１１上にエピタキシャル層が成長する。成長に使用されなかった原料ガスは、排気系１４により反応炉１３外へ排出される。
【００２２】
気相成長装置１０は、反応炉１３内で原料ガスが流通する反応管１６の上部壁にサセプタ１７を配置し、このサセプタ１７の中心回転軸１９をモータ（不図示）で回転可能に構成すると共に、このサセプタ１７の周方向の複数箇所に設けられた開口部１５(図２)内に半導体基板１１を収納し、半導体基板１１の表面を下向きにし露出させた状態で支持し、当該半導体基板１１を加熱するヒータ１８に面して均熱板２５を上記開口部１５に嵌合したものである。
【００２３】
上記サセプタ１７は、半導体基板１１の表面を原料ガスに曝すように設置可能で、当該半導体基板１１の落下及び位置ずれを防止するための基板固定治具（不図示）を備える。また、上記均熱板２５は、ヒータ１８からの輻射熱によって半導体基板１１の温度を均一にするものである。このようにして、上記反応炉１３内で、サセプタ１７に支持された半導体基板１１が回転されながらヒータ１８により加熱され、この半導体基板１１の表面上で原料ガスが熱分解及び化学反応して、当該表面に半導体結晶が気相エピタキシャル成長する。
【００２４】
ところで、半導体基板１１の結晶成長時にはサセプタ１７の表面にも半導体結晶が堆積する。この堆積層が厚くなると、半導体基板１１の表面に成長する半導体結晶の膜厚分布が不均一になるため、サセプタ１７を交換する必要がある。このサセプタ１７は、本実施の形態では、熱伝導性の良好な炭素にて構成される。しかしこの炭素は、図６に示すように多数の気孔２０を含有する気孔質ないし多孔質材料であり、サセプタ１７の保管時や洗浄時などに上記気孔２０中またはサセプタ１７の表面に水分などの不純物が浸入し、または付着してしまう。この不純物を除去するために、サセプタ１７の交換後であって反応炉１３内で結晶成長を実施する前に、サセプタ１７のみを高温加熱して、当該サセプタ１７を強制的に脱ガスさせる高純度化作業を実施している。
【００２５】
図２に示すように、サセプタ１７の外周部には、対向する位置に、当該サセプタ１７と同一材質の電極２１が一対設けられている。上記高純度化作業時には、上記電極２１に通電することによりサセプタ１７を直接加熱する。これにより、サセプタ１７内の気孔２０中に存在する不純物（主に水分）が短時間に確実に除去される。
【００２６】
次に、本実施の形態の効果を確認するために、本実施の形態の気相成長装置１０のサセプタ１７と、従来技術の気相成長装置のサセプタ５０(図５)とを用いてＡｌＧａＡｓ半導体結晶２２を成長する試作を行った。
【００２７】
両気相成長装置では、反応炉の炉内圧力を約０．０１ＭＰａに保持した状態で、半導体基板としてのＧａＡｓ基板１１をヒータにより加熱し、Ｖ族原料のアルシンを約４００〜７００ｃｍ３／分、III族原料のトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムをそれぞれ約３〜１０ｃｍ３／分、０．５〜５ｃｍ３／分供給して、半導体結晶として図３に示すＡｌＧａＡｓ半導体結晶２２を成長させた。そして、成長後の上記結晶に対してフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を実施し、ＰＬ発光強度を評価した。ここで、ＰＬ測定とは、結晶にレーザー光を照射し、そのエネルギーにより電子を伝導帯に励起させ、その励起された電子が価電子帯へと再結合する際に放出するエネルギーを測定するものである。
【００２８】
サセプタ１７、５０に含まれる不純物元素のひとつに酸素（水分中の酸素）がある。サセプタ１７、５０の交換後に高純度化が不十分であると、半導体結晶の成長時にサセプタ１７、５０から酸素が放出されて、反応炉内の雰囲気中の酸素濃度が高くなり、成長した結晶中に取り込まれる酸素が増加してしまう。半導体結晶内に取り込まれた酸素は、非発光再結合中心を形成し、ＰＬ発光強度を妨げる働きをする。従って、ＰＬ発光強度を検査することで、サセプタ１７、５０の高純度化の状況を推し量ることが可能となる。
【００２９】
従来のサセプタ５０の交換作業後、このサセプタ５０の上部に配置されたヒータの加熱による高純度化作業を行い結晶成長を実施し、その結晶をＰＬ測定し、ＰＬ発光強度を調べたところ、目標とするＰＬ発光強度に達するまでの高純度化作業に約１２時間が必要であった（図４の実線Ｂ参照）。従来技術では、ヒータから離れた位置にサセプタ５０が配置され、ヒータを通電加熱し、その輻射熱によってサセプタ５０を加熱して、当該サセプタ５０中の不純物を脱ガスさせた。このためサセプタ５０の加熱効果が低く、このサセプタ５０の気孔中に存在する不純物を十分に除去するためには長時間を要した。
【００３０】
これに対し、本実施の形態の気相成長装置１０では、図２に示すように、サセプタ１７に電流を流すための電極２１を設け、高純度化の際に、この電極２１を介してサセプタ１７に電流を流し、通電によりサセプタ１７を直接加熱させた。これにより、従来技術では、サセプタ５０の気孔内部に存在する不純物を除去するために１２時間程度を要していたが、半分の６時間程度で、高純度化作業において目標とするＰＬ発光強度に達することができた（図４の実線Ａ参照）。
【００３１】
以上のように構成されたことから、上記実施の形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。
【００３２】
（１）半導体基板１１を保持するサセプタ１７に電極２１が設置され、この電極２１を介してサセプタ１７が通電により直接加熱可能に構成されたことから、サセプタ１７の交換後、当該サセプタ１７の気孔２０中に存在する不純物を加熱により除去する高純度化作業時に、当該サセプタ１７に電極２１を介して通電して、このサセプタ１７を直接加熱できる。従って、このサセプタ１７の直接加熱によれば、反応炉１３内に設置されたヒータ１８を用いて輻射熱によりサセプタ１７を加熱し高純度化する場合に比べ、サセプタ１７の気孔２０中に存在する不純物を迅速且つ確実に除去することができるので、サセプタ１７の高純度化作業を短時間且つ容易に実施できる。
【００３３】
（２）上述のように、高純度化作業でサセプタ１７内の不純物が十分に除去できるので、当該サセプタ１７を用いて半導体基板１１の表面に半導体結晶を成長させた場合、反応炉１３の雰囲気中にサセプタ１７から放出される不純物の放出量を減少できる。このため、生成される半導体結晶中の不純物元素量（例えば水分中の酸素）を低減できるので、半導体結晶の品質・特性を向上させることができる。
【００３４】
（３）電極２１がサセプタ１７と同一材質、つまり炭素にて構成されたことから、電極２１の熱伝導性が良好となり、電極２１を介してサセプタ１７に通電することで当該サセプタ１７を加熱する高純度化作業時に、当該サセプタ１７を良好に加熱することができる。
【００３５】
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３６】
例えば、上記実施の形態では、サセプタ１７及び電極２１が炭素にて構成されたものを述べが、これらのサセプタ１７及び電極２１を、通電による加熱効率が高いメッシュ状の炭素繊維にて構成してもよい。このメッシュ状の炭素繊維からなるサセプタ１７を用いて、前記試作と同一の条件でＡｌＧａＡｓ半導体結晶２２を成長させ、成長後の結晶に対してＰＬ測定を実施したところ、目標とするＰＬ発光強度に達するまでの高純度化作業時間を約４時間とすることができ、従来技術の３分の１に短縮することができた（図４の実線Ｃ参照）。このように、炭素繊維からなるサセプタ１７及び電極２１によれば、通電による加熱効率が高くなるので、高純度化の作業効率を更に高めることができるのである。
【００３７】
また、サセプタ１７及び電極２１を炭化珪素(ＳｉＣ)により構成してもよい。炭化珪素が炭素に比べて耐薬品性に優れることから、サセプタ１７を再利用のために薬品を用いて洗浄する洗浄時に、この炭化珪素のサセプタ１７内の気孔２１に不純物である水分が浸入しにくい。このため、サセプタ１７の交換後に当該サセプタ１７中に存在する不純物を除去するための高純度化作業を更に短時間で実施することができる。
【００３８】
また、電極２１は、サセプタ１７が炭素繊維製の場合には炭素繊維にて構成され、サセプタ１７が炭化珪素製の場合には炭化珪素にて構成されることから、いずれの場合も炭素を含む材質となるので、前記実施形態と同様に、熱伝導性が良好になる。このため、この電極２１を介してサセプタ１７に通電することで当該サセプタ１７を加熱する高純度化作業時に、当該サセプタ１７を良好に加熱することができる。
【００３９】
上記実施形態の気相成長装置は、いわゆる横型フェイスダウンタイプであるが、本発明は、横型フェイスアップタイプ、自転公転型フェイスダウンタイプ、自転公転型フェイスアップタイプなどの気相成長装置にも、もちろん適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る気相成長装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のサセプタを示す平面図である。
【図３】高純度化作業を評価するために生成された半導体結晶の断面構造図である。
【図４】サセプタの高純度化作業時間とＰＬ発光強度との関係を示すグラフである。
【図５】従来のサセプタを示す平面図である。
【図６】炭素製のサセプタの断面を拡大示した断面模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  気相成長装置
１１  半導体基板
１３  反応炉
１７  サセプタ
１８  ヒータ
２０  気孔
２１  電極
【図１】
2007165555.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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