(57)【要約】【課題】    従来よりも信頼性の高い加熱装置を提供することにある。【解決手段】    従来よりも信頼性の高い加熱装置は、発熱部、および、該発熱部の周縁部と接続する一対の端子を備える発熱機構と、前記一対の端子を支持し、前記発熱部の熱膨張に対応して前記一対の端子の間隔を変化させる端子支持機構と、を具備する。【選択図】    図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部、および、該発熱部の周縁部と接続する一対の端子を備える発熱機構と、
前記一対の端子を支持し、前記発熱部の熱膨張に対応して前記一対の端子の間隔を変化させる端子支持機構と、
を具備する加熱装置。
【請求項２】
前記端子支持機構は、
前記一対の端子各々を支持して、該一対の端子を結ぶ方向である第１の方向にそれぞれ移動することができる一対の可動端子台と、
前記一対の可動端子台各々と連結し、該一対の可動端子台間の距離を伸縮させる伸縮機構と、
を含む請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
前記伸縮機構は、前記第１の方向に延在する形状を有し、両端部が前記一対の可動端子台各々と連結するプランジャを含む請求項２記載の加熱装置。
【請求項４】
前記プランジャは、前記発熱部が生じる熱によって熱伸縮する位置に配置されている請求項３記載の加熱装置。
【請求項５】
前記プランジャは、前記発熱部の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する請求項４記載の加熱装置。
【請求項６】
前記伸縮機構は、さらに、前記プランジャを加熱して熱伸縮させるヒータを含む請求項３記載の加熱装置。
【請求項７】
前記伸縮機構は、回転することにより前記第１の方向における幅が変化するカム、内端部で該カムを狭持し、外端部が前記一対の可動端子台各々と連結する一対のアーム、該カムを回転させることにより、該一対のアームの外端部間の距離を伸縮させる回転機構を含む請求項２記載の加熱装置。
【請求項８】
前記一対の可動端子台は、前記一対の端子各々を支持する一対の絶縁ステー、および、該一対の絶縁ステー各々が前記第１の方向に移動できるようにガイドが設けられたステージを含む請求項２〜７いずれか１項記載の加熱装置。
【請求項９】
前記発熱機構において、
前記発熱部は、円盤状の形状を有し、
前記一対の端子は、鉛直方向に延在する形状を有し、一端側が前記発熱部の周縁部であって、該発熱部の中心に対して対称となる位置に接続され、他端側が前記端子支持機構に支持される請求項１〜８いずれか１項記載の加熱装置。
【請求項１０】
前記発熱機構において、
前記発熱部は、円筒状の形状を有し、
前記一対の端子は、鉛直方向に延在する形状を有し、一端側が前記発熱部の周縁部であって、該発熱部の中心軸に対して対称となる位置に接続され、他端側が前記端子支持機構に支持される請求項１〜８いずれか１項記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱装置、特に半導体成長装置に用いられる加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオード、発光ダイオード、そして電子デバイス等の産業分野において、半導体を結晶成長させる方法として、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が広く用いられている。ＭＯＣＶＤ法は、加熱したサセプタ上に配置された基板に各種材料ガス等を吹き付け、その基板上に熱化学反応を利用して半導体を結晶成長させる方法である。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法によって、たとえば、サファイア基板上にＧａＮ等の窒化物半導体を結晶成長させることが可能である。ＧａＮを結晶成長させる場合、材料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＮＨ３（アンモニア）などが用いられる。
【０００４】
基板を保持するサセプタは、発熱機構によって、たとえば４００℃〜１１００℃に加熱される。発熱機構は、一般的に、電力を供給することにより発熱する発熱部、および、その発熱部の周縁部と接続し、その発熱部に電力を供給する一対の電極端子によって構成される。発熱機構には、円盤状の発熱部を有し、サセプタを底面から加熱するもの（たとえば特許文献１）や、円筒状の発熱部を有し、サセプタを囲んで周縁部から加熱するもの（たとえば特許文献２）等がある。
【０００５】
発熱機構には、たとえば、カーボン（黒鉛）ヒータが用いられる。ヒータ基材のカーボンは、熱膨張係数が約４．２×１０−６〜７．１×１０−６と小さく、数百度以上の高温環境下でも形状変化が僅かである。ただし、数百度以上、特に約８００℃以上の高温であって、かつ、ＮＨ３などが存在する環境下では、内部に気孔ができる等の腐食劣化が進行する。
【０００６】
そこで、一般的には、腐食耐性に優れたＳｉＣ（炭化珪素）がコーティングされたカーボンヒータが用いられる。ＳｉＣは、熱膨張係数が約４．４×１０−６程度であり、カーボンの熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有する。また、カーボンとの密着性も良好であり、剥離やクラック等が発生することが殆どない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−８０５３０号公報
【特許文献２】特開平７−２０６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、従来よりも信頼性が高い加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の主な観点によれば、発熱部、および、該発熱部の周縁部と接続する一対の端子を備える発熱機構と、前記一対の端子を支持し、前記発熱部の熱膨張に対応して前記一対の端子の間隔を変化させる端子支持機構と、を具備する加熱装置、が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
従来よりも信頼性が高い加熱装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは、第１の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の反応容器部の構成を示す断面図であり、図１Ｂは、発熱機構３０の発熱部３２の形状例を示す平面図である。
【図２】図２Ａは、第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の反応容器部の構成を示す断面図であり、図２Ｂは、発熱機構３０の発熱部３２の形状例を示す側面図である。
【図３】図３は、作製した窒化物半導体の構成を示す断面図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、円盤状の発熱部３２が円弧状にたわむ様子を示す断面図、および、円筒状の発熱部３２が楕円状にたわむ様子を示す平面図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、第１の実施例による加熱装置を示す断面図である。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、第２の実施例による加熱装置を示す断面図である。
【図７】図７Ａは、第３の実施例による加熱装置を示す断面図であり、図７Ｂは、実施例による加熱装置と、比較例による発熱機構との寿命を比較したテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、第１および第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置を用いて、窒化物半導体を作製した。最初に、第１および第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の構成について、以下に示す実施例と関連する部分を中心に説明する。
【００１３】
図１Ａは、第１の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の反応容器部の構成を概略的に示す断面図である。便宜的に、図面に示すようなＸＹＺ直交座標系を定義する。
【００１４】
反応容器１０を区画する隔壁には、材料ガス等を流入するための流入口１１ａ〜１１ｄ、および、材料ガス等を排気するための排気口１１ｘ〜１１ｚが設けられている。また、反応容器１０の内部には、材料ガスを誘導するフローチャネル１２と、材料ガスを吹き付けて半導体を結晶成長させるための基板９０を保持するサセプタ２０と、サセプタ２０を底面から加熱する発熱機構３０と、が設けられている。
【００１５】
発熱機構３０には、たとえば、ＳｉＣコートカーボンヒータが用いられる。また、発熱機構３０は、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて平行に配置される一対の電極端子３１ａ，３１ｂと、一対の電極端子３１ａ，３１ｂのＺ軸正方向端部と接続する円盤状の発熱部３２（図１Ｂ）を含む。発熱機構３０の発熱部３２は、遮熱板１３で囲まれており、発熱部３２の発熱によって高温となる領域は、隔壁１４により高温室１５として区画されている。一対の電極端子３１ａ，３１ｂは、遮熱板１３を挿通して反応容器１０の外部まで延在されており、その端部（Ｚ軸負方向端部）が固定台に固定されている。また、そのＺ軸負方向端部は、発熱部３２に電力を供給して、発熱部３２の発熱温度を制御する制御装置８０と電気的に接続されている。なお、一対の電極端子３１ａ，３１ｂは、発熱部３２の重さでたわまないように、所定の強度を有してＺ軸方向（鉛直方向）に延在していることが好ましい。
【００１６】
サセプタ２０は、基板９０を保持する円盤状の保持部２１、および、保持部２１と接続し、保持部２１に保持される基板９０をＺ軸に平行な回転軸の周囲に回転させる軸部２２を含む。サセプタ２０の軸部２２は、発熱機構３０の円盤状の発熱部３２の中心部および遮熱板１３を挿通して反応容器１０の外部まで延在されており、モータ等の駆動機構２３に接続されている。
【００１７】
フローチャネル１２の上流側には、材料ガス等を流入するための流入口１１ａ，１１ｂが設けられている。フローチャネル１２の下流側には、材料ガス等を排気するための排気口１１ｘが設けられている。また、反応容器１０の内部および高温室１５の内部には、それぞれパージガス（たとえばＮ２）を流入するための流入口１１ｃ，１１ｄが設けられている。流入口１１ｃ，１１ｄから流入されるパージガスは、排気口１１ｙ，１１ｚから排気される。
【００１８】
図１Ｂは、発熱機構３０の発熱部３２の形状例を示す平面図である。発熱部３２は、直径がＤの円盤形状を有し、その中心部にサセプタ２０の軸部２２が挿通することができる構造を有する。一対の電極端子３１ａ，３１ｂは、発熱部３２の周縁部であって、その中心に対して対称となる位置に接続されている。
【００１９】
図２Ａは、第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の反応容器部の構成を概略的に示す断面図である。第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の構成は、サセプタ２０の保持部２１の形状および発熱機構３０の発熱部３２（図２Ａにおいては図示されていない）の形状以外、第１の従来例によるＭＯＣＶＤ装置の構成と同等である。第２の従来例によるサセプタ２０の保持部２１は、円柱状の形状を有する。
【００２０】
図２Ｂは、発熱機構３０の発熱部３２の形状例を示す側面図である。第２の従来例による発熱機構３０の発熱部３２は、Ｚ軸と平行な中心軸を有し、サセプタ２０の保持部２１の周りを囲むような直径がＤの円筒形状を有する。
【００２１】
本発明者らは、このような構成を有する第１および第２の従来例によるＭＯＣＶＤ装置を用いて、窒化物半導体を作製した。
【００２２】
図３は、本発明者らが作製した窒化物半導体の構成を示す断面図である。この窒化物半導体は、サファイア基板９０上に、低温ＧａＮ（ガリウム・窒素）層９１、ｎ型ＧａＮ層９２、発光層９３、ｐ型ＡｌＧａＮ（アルミニウム・ガリウム・窒素）層９４、および、ｐ型ＧａＮ層９５が積層された構成である。なお、発光層９３は、ＧａＮバリア層およびＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム・窒素）量子井戸層からなる多重量子井戸構造を有する。
【００２３】
次に、図１または図２を参照しながら、図３に示す窒化物半導体の作製方法について説明する。
【００２４】
［サファイア基板９０熱処理工程］直径約２インチのサファイア基板９０をサセプタ２０の保持部２１に設置する。サセプタ２０の保持部２１の温度を、発熱機構３０の発熱部３２により約１０００℃まで加熱する。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素のみを流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、約１０分間、サファイア基板９０に熱処理を施す。
【００２５】
［低温ＧａＮ層９１成長工程］その後、サセプタ２０の保持部２１の温度を約５３０℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素を、材料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）を総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、サファイア基板９０上に、低温ＧａＮ層９１を層厚約３００Åで成長させる。
【００２６】
［低温ＧａＮ層９１熱処理工程］次に、サセプタ２０の保持部２１の温度を約１０５０℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素を、材料ガスとしてＮＨ３を総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、約７分間、低温ＧａＮ層９１に熱処理を施す。
【００２７】
［ｎ型ＧａＮ層９２成長工程］次に、サセプタ２０の保持部２１の温度を約１０３０℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素を、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ３およびＳｉＨ４（モノシラン）を総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、低温ＧａＮ層９１上に、ｎ型ＧａＮ層９２を層厚約６μｍで成長させる。
【００２８】
［発光層９３形成工程］次に、サセプタ２０の保持部２１の温度を約７６０℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして窒素を流量３０Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして窒素を、材料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ３を総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、発光層９３のバリア層であるＧａＮ層を層厚約８ｎｍで成長させる。
【００２９】
さらに、流入口１１ａからはキャリアガスとして窒素を流量３０Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして窒素を、材料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＮＨ３、およびＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニエルマグネシウム）を総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、発光層９３の量子井戸層であるＩｎＧａＮ層を層厚約３ｎｍで成長させる。
【００３０】
以上のようなバリア層および量子井戸層の形成を繰り返し、ｎ型ＧａＮ層９２上に、量子井戸層を６層、バリア層を７層含む発光層６３を形成する。
【００３１】
［ｐ型ＡｌＧａＮ層９４成長工程］次に、サセプタ２０の保持部２１の温度を約９００℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素を、材料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ３およびＣｐ２Ｍｇを総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、発光層９３上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層９４を層厚約３０ｎｍで成長させる。
【００３２】
［ｐ型ＧａＮ層９５成長工程］次に、サセプタ２０の保持部２１の温度を約９００℃にする。流入口１１ａからはキャリアガスとして水素および窒素をそれぞれ流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給し、流入口１１ｂからはキャリアガスとして水素を、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ３およびＣｐ２Ｍｇを総流量１０Ｌ／ｍｉｎで供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層９４上に、ｐ型ＧａＮ層９５を層厚約１００ｎｍで成長させる。
【００３３】
以上のように、第１および第２の比較例によるＭＯＣＶＤ装置を用いて、窒化物半導体を作製することができる。なお、たとえば、サセプタ２０の保持部２１の温度を約１０３０℃にするためには、発熱機構３０の発熱部３２の温度を１４００℃程度に発熱する必要がある。
【００３４】
本発明者らは、第１および第２の比較例によるＭＯＣＶＤ装置を繰り返し使用して、複数の窒化物半導体を作製した。その際、発熱機構３０の発熱部３２が、比較的短期間のうちに、劣化して発熱しない状態になることがわかった。また、そのように発熱しなくなった発熱機構３０を交換した後、そのＭＯＣＶＤ装置を数回使用しただけで、再び、発熱機構３０の発熱部３２が劣化して発熱しない状態になる場合が多々あることがわかった。本発明者らによる検討の結果、このような劣化は、熱膨張に伴う発熱部３２のたわみに起因していることがわかった。なお、以降では、発熱機構３０の発熱部３２が、比較的短期間のうちに、発熱しない状態になることを異常劣化と呼び、数回の使用で発熱しない状態になることを突発劣化と呼ぶこととする。
【００３５】
図４Ａおよび図４Ｂは、第１の比較例による発熱部３２が円弧状にたわむ様子を示す断面図、および、第２の比較例による発熱部３２が楕円状にたわむ様子を示す平面図である。
【００３６】
第１の比較例による発熱機構３０において、円盤状の発熱部３２の室温（ここでは０℃とする）における直径Ｄを６０ｍｍ、熱膨張係数を４．４×１０−６、とし、発熱部３２を１４００℃に発熱させた場合（第１の条件とする）、発熱部３２の直径Ｄは約０．３７ｍｍ（＝直径×熱膨張係数×発熱温度）熱膨張しうる。このとき、発熱部３２と接続する電極端子３１ａ，３１ｂは固定されているため、発熱部３２は、図４Ａに示すように、Ｚ軸方向に円弧状にたわむ。この円弧たわみＬは、理論的には、約２．８９ｍｍ程度と算出される。
【００３７】
同様に、第２の比較例による発熱機構３０において、円筒状の発熱部３２の室温における直径Ｄを７０ｍｍ、熱膨張係数を４．４×１０−６、とし、発熱部３２を１４００℃に発熱させた場合（第２の条件とする）、発熱部３２の円周は約１．３６ｍｍ熱膨張しうる。このとき、発熱部３２と接続する電極端子３１ａ，３１ｂは固定されているため、発熱部３２は、図４Ｂに示すように、Ｙ軸方向に楕円状にたわむ。この円周たわみ（楕円の長軸と短軸の差）Ｌは、理論的には、約０．４３ｍｍ程度と算出される。
【００３８】
なお、円盤状ないし円筒状の発熱部３２は複雑な形状を有し、また、若干の密度分布も有していると考えられる。そのため、実際の円弧たわみないし円周たわみは、理論値に対して、誤差があると考えられる。また、このようなたわみは、発熱部３２の強度が比較的弱い部分に集中的にストレスを与える場合もあると考えられる。
【００３９】
発熱機構３０には、ＳｉＣコートカーボンヒータが用いられる。円盤状ないし円筒状の発熱部３２のたわみは、その発熱部３２表面にコーティングされたＳｉＣを劣化させると考えられる。そして、窒化物半導体を作製する際に材料ガスとして用いたＮＨ３が、発熱部３２のＳｉＣコートが劣化した部分から侵入し、ヒータ基材であるカーボンの腐食を進行させたものと考えられる。その結果、発熱部３２の異常劣化ないし突発劣化が発生すると考えられる。
【００４０】
本発明者らは、発熱部３２の異常劣化ないし突発劣化を抑制するために、発熱部３２の熱膨張に対応して電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を変化させて、発熱部３２のたわみを緩和する加熱装置について検討を行った。
【００４１】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明者らが検討を行った第１の実施例による加熱装置を示す断面図である。図５Ａに、図５ＢにおけるＶＡ−ＶＡ断面を示す。また、図５Ｂに、図５ＡにおけるＶＢ−ＶＢ断面を示す。
【００４２】
第１の実施例による加熱装置は、図５Ａに示すように、一対の電極端子３１ａ，３１ｂ、および、円盤状の発熱部３２を備える発熱機構３０と、電極端子３１ａ，３１ｂ各々を支持して、その電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を変化させる端子支持機構４０と、を含む構成である。なお、発熱機構３０の構造は、第１の比較例による発熱機構の構造と同等である。
【００４３】
端子支持機構４０は、電極端子３１ａ，３１ｂ各々を支持する一対の絶縁ステー５１ａ，５１ｂ、および、絶縁ステー５１ａ，５１ｂ各々がＸ軸方向に沿って移動できるようガイド５２ａ（図５Ｂ）が設けられたステージ５２を具備する一対の可動端子台と、絶縁ステー５１ａ，５１ｂ各々と連結し、絶縁ステー５１ａ，５１ｂ間の距離を伸縮させる伸縮機構６０と、を含む。なお、絶縁ステー５１ａ，５２ｂと、発熱機構３０の電極端子３１ａ，３１ｂとは、ボルトなどを介して接続されている。絶縁ステーには、電気的絶縁性の高いアルミナを用いた。その他にも、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）等の絶縁性セラミック素材を用いることができる。
【００４４】
伸縮機構６０は、図５Ｂに示すように、カム６１と、内端側でカム６１を狭持するとともに、外端側が絶縁ステー５１ａ，５１ｂ各々と連結する一対のアーム６２ａ，６２ｂと、カム６１を回転させる回転機構６４（図５Ａ）と、を含む。また、伸縮機構６０は、一対のアーム６２ａ，６２ｂが確実にカム６１を狭持するように付勢する付勢機構６５も含む。なお、実施例では、カム６１を、サセプタの軸部２２（図１Ａ）と重ならないようＹ軸方向にずらして配置しており、カム６１を狭持する一対のアーム６２ａ，６２ｂは、Ｙ軸方向に延びる連結部６３ａ，６３ｂにより、絶縁ステー５１ａ，５１ｂと連結している。
【００４５】
カム６１は、Ｚ軸に平行な回転軸の周囲に回転させることにより、Ｘ軸方向における幅が変化する構造を有する。回転機構６４が、カム６１を回転させることにより、カム６３を狭持する一対のアーム６２ａ，６２ｂのＸ軸方向における長さ（一対のアーム６２ａ，６２ｂの外端部間の長さ）が変化する。その結果、一対のアーム６２ａ，６２ｂに連結する絶縁ステー５１ａ，５１ｂの間隔が変化し、絶縁ステー５１ａ，５１ｂが支持する発熱機構３０の一対の電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を調整することができる。
【００４６】
第１の実施例による加熱装置には、さらに、発熱部３２の熱膨張に対応して、カム６１の回転角度を制御する制御装置８０（図５Ａ）が設けられている。制御装置８０は、発熱部３２の常温時のサイズ、発熱温度および熱膨張係数に基づいて、発熱部３２のサイズの変化量を算出する。また、そのサイズの変化量に基づいて、回転機構６４にカム６１の回転角度を設定する。カム６１の回転角度を制御することにより、アーム６２ａ，６２ｂの外端部間の長さを制御することができる。なお、制御装置８０が算出に用いる発熱部３２の温度は、熱伝対などにより直接計測した温度を用いても、発熱部３２に供給する電力に基づいた温度を用いてもかまわない。
【００４７】
たとえば、上述した第１の条件において、カム６１に、回転軸から最短の周縁部までの長さｒが１０ｍｍであり、回転軸から最長の周縁部までの長さｒ＋ａが１０．４５ｍｍである偏芯カムを用いた場合を想定する、このとき、発熱部３２の直径Ｄは約０．３７ｍｍ熱膨張する。偏芯カム６１の回転軸から最短の周縁部の位置を基準（０°）としたとき、制御装置８０は、偏芯カム６１を約７４°回転させれば、アーム６２ａ，６２ｂの外端部間の長さを約０．３７ｍｍ伸長させることができる。このような構成を有する加熱装置を用いることにより、熱膨張に伴う発熱部３２のたわみを緩和することが可能となる。
【００４８】
なお、カム６１および一対のアーム６２ａ，６２ｂは、発熱部３２からの輻射熱などにより、Ｘ軸方向に熱伸縮する可能性がある。そのため、カム６１および一対のアーム６２ａ，６２ｂは、温度変化に対する伸縮量がより小さいことが望ましい。つまり、カム６１および一対のアーム６２ａ，６２ｂの熱膨張係数は小さいことが好ましく、たとえば、発熱部３２の熱膨張係数よりも小さいことが好ましい。実施例では、熱膨張係数が１×１０−６以下であるスーパーインバーを用いた。その他にも、インバー、コバール等を用いることができる。
【００４９】
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明者らが検討を行った第２の実施例による加熱装置を示す断面図である。図６Ａに、図６ＢにおけるＶＩＡ−ＶＩＡ断面を示す。また、図６Ｂに、図６ＡにおけるＶＩＢ−ＶＩＢ断面を示す。第２の実施例による加熱装置は、伸縮機構以外、第１の実施例による加熱装置とほぼ同等の構成を有する。ただし、発熱機構３０は、第２の比較例で用いた円筒状の発熱部を備える発熱機構を用いている。
【００５０】
第２の実施例による伸縮機構７０は、Ｘ軸方向に延在する棒状形状を有し、両端部が絶縁ステー５１ａ，５１ｂ各々と連結するプランジャ７１と、プランジャ７１を覆い、プランジャ７１を加熱してＸ軸方向に熱伸縮させるヒータ７２と、を含む。また、プランジャ７１の中央部は、支持ステー７３により支持されている。なお、第２の実施例による加熱装置でも、プランジャ７１を、サセプタの軸部２２と重ならないようＹ軸方向にずらして配置しており、プランジャ７１は、Ｙ軸方向に延びる連結部７４ａ，７４ｂにより、絶縁ステー５１ａ，５１ｂと連結している。
【００５１】
ヒータ７２が、プランジャ７１を加熱することにより、プランジャ７１のＸ軸方向における長さが変化する。その結果、プランジャ７１に連結する絶縁ステー５１ａ，５１ｂの間隔が変化し、絶縁ステー５１ａ，５１ｂが支持する発熱機構３０の一対の電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を調整することができる。
【００５２】
第２の実施例による加熱装置には、発熱部３２の熱膨張に対応して、ヒータ７２がプランジャ７１を加熱する温度を制御する制御装置８０が設けられている。制御装置８０は、発熱部３２のサイズ、温度および熱膨張係数に基づいて、発熱部３２のサイズの変化量を算出する。また、そのサイズの変化量に基づいて、ヒータ７２がプランジャ７１を加熱する温度を設定する。ヒータ７２の加熱温度を制御することにより、プランジャ７１のＸ軸方向における長さを制御することができる。
【００５３】
たとえば、上述した第２の条件において、プランジャ７１に線熱膨張係数が２５×１０−６であり、Ｘ軸方向における長さが９０ｍｍのアルミ合金を用いた場合を想定する。このとき、発熱部３２の直径Ｄは約０．４３ｍｍ熱膨張する。制御装置８０は、ヒータ７２によりプランジャ７１を約１９１℃に加熱すれば、プランジャ７１のＸ軸方向における長さを約０．４３ｍｍ伸長させることができる。このような構成を有する加熱装置を用いることにより、熱膨張に伴う発熱部３２のたわみを緩和することが可能となる。
【００５４】
なお、プランジャ７１は、高温環境下で長期間使用すると劣化・変形等生じる可能性があるため、より低温で用いられることが望ましく、そのため、温度変化に対する伸縮量がより大きいことが望ましい。つまり、プランジャ７１の熱膨張係数は、より大きいことが好ましく、たとえば、発熱部３２の熱膨張係数よりも大きいことが好ましい。したがって、プランジャー７１には、熱膨張係数が大きいアルミまたはアルミ合金（熱膨張係数：２０〜２５×１０−６）、銅または銅合金（熱膨張係数：１６〜２０×１０−６）、ステンレス鋼（ＳＵＳ、熱膨張係数：１０〜１８×１０−６）等を用いることが好ましい。また、プランジャ７１のＸ軸方向における長さは、より長いことが好ましく、たとえば、円盤状の発熱部３２の直径Ｄよりも長いことが好ましい。
【００５５】
図７Ａは、第２の実施例による加熱装置を応用した第３の実施例による加熱装置を示す断面図である。この加熱装置は、伸縮機構の配置位置以外、第２の実施例による加熱装置とほぼ同等の構成を有する。ただし、発熱機構３０は、第１の比較例で用いた円盤状の発熱部を備える発熱機構を用いている。
【００５６】
第３の実施例による伸縮機構７０は、Ｘ軸方向に延在する棒状形状を有し、両端部が絶縁ステー５１ａ，５１ｂ各々と連結するプランジャ７１を含む。そして、プランジャ７１は、発熱部３２の近傍に配置されている。なお、プランジャ７１の配置位置（高さ）に合わせて、連結部７４ａ，７４ｂおよび支持ステー７３は、第２の実施例による加熱装置の場合よりもＺ軸方向に延長されている。
【００５７】
第３の実施例による伸縮機構７０には、第２の実施例にはあったプランジャを加熱するヒータおよびヒータの加熱温度を制御する制御装置８０が設けられていない。これは、発熱部３２近傍に配置されるプランジャ７１が、発熱部３２からの輻射熱によって熱伸縮するためであり、プランジャ７１を適当な位置（高さ）に配置することにより自律的に一対の電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を調整することができるためである。
【００５８】
たとえば、上述した第１の条件において、プランジャ７１に線熱膨張係数が１８×１０−６であり、Ｘ軸方向における長さが９０ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた場合を想定する。このとき、発熱部３２の直径Ｄは約０．３７ｍｍ熱膨張する。発熱部が１４００℃まで発熱したときに、プランジャ７１を約２２８℃となる位置に配置すれば、プランジャ７１のＸ軸方向における長さを約０．３７ｍｍ伸長させることができる。このような構成を有する加熱装置を用いることにより、熱膨張に伴う発熱部３２のたわみを緩和することが可能となる。
【００５９】
なお、第３の実施例による加熱装置の場合、プランジャ７１は、必然的に、発熱部３２の発熱温度よりも低い温度となる位置（高さ）に配置されることになる。そのため、プランジャ７１の温度変化に対する伸縮量が、発熱部３２の温度変化に対する熱膨張量よりも大きくなければ、発熱部３２の熱膨張に対応して電極端子３１ａ，３１ｂの間隔を調整することは困難である。したがって、プランジャ７１は、温度変化に対する伸縮量がより大きいことが望ましい。つまり、プランジャ７１の熱膨張係数は、発熱部３２の熱膨張係数よりも大きいことが好ましく、また、プランジャ７１のＸ軸方向における長さは、円筒状の発熱部３２の直径Ｄよりも長いことが好ましい。
【００６０】
本発明者らは、第１〜第３の実施例による加熱装置を組み込んだＭＯＣＶＤ装置を繰り返し使用して、図３に示した窒化物半導体を複数作製した。
【００６１】
図７Ｂは、実施例による加熱装置を組み込んだＭＯＣＶＤ装置と、比較例によるＭＯＣＶＤ装置との寿命を比較したテーブルである。ここで寿命とは、実施例および比較例において、発熱部が発熱しなくなるまでに窒化物半導体を作製できた回数比として定義する。
【００６２】
第１の実施例による加熱装置を組み込んだ第１のＭＯＣＶＤ装置（実施例１）は、第１の比較例によるＭＯＣＶＤ装置（比較例１）よりも約３．２倍多く窒化物半導体を作製することができた。実施例１および比較例１は、円盤状の発熱部を採用している。熱膨張に伴う円盤状の発熱部のたわみは、円弧たわみが支配的であると考えられる。円弧たわみは、発熱部表面にコーティングされるＳｉＣにより大きなストレスを与えうる。実施例１は、第１の実施例による加熱装置を用いたことにより、比較例１よりも、発熱部にかかるストレスを大幅に低減し、発熱部の寿命をより長期化できたと考えられる。
【００６３】
第２の実施例による加熱装置を組み込んだＭＯＣＶＤ装置（実施例２）は、第２の比較例によるＭＯＣＶＤ装置（比較例２）よりも約１．８倍多く窒化物半導体を作製することができた。実施例２および比較例２は、円筒状の発熱部を採用している。熱膨張に伴う円盤状の発熱部のたわみは、円周たわみが支配的であると考えられる。円周たわみは、円弧たわみよりも、発熱部表面にコーティングされるＳｉＣに与えるストレスが小さいと考えられる。したがって、実施例２は、第２の実施例による加熱装置を用いることにより、比較例２よりも発熱部の寿命をより長期化できたものの、比較例１に対する実施例１の寿命比のような顕著な違いが見られなかったと考えられる。
【００６４】
第３の実施例による加熱装置を組み込んだＭＯＣＶＤ装置（実施例３）は、比較例１よりも約２．７倍多く窒化物半導体を作製することができた。比較例１に対する実施例３の寿命比が、比較例１に対する実施例１の寿命比（３．２倍）よりも小さい理由としては、第３の実施例による加熱装置においてプランジャの配置位置が最適化されていなかったためだと考えられる。プランジャの配置位置を最適化することにより、比較例１に対する実施例３の寿命比を、比較例１に対する実施例１の寿命比と同程度にすることができると考えられる。
【００６５】
なお、第１〜第３の実施例による加熱装置において、突発劣化が発生することは殆どなかった。
【００６６】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、発熱部の形状と伸縮機構のタイプの組合せは、実施例に示した組合せに限られない。円筒状の発熱部とカムを用いた伸縮機構とを組み合わせた加熱装置であってもかまわない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００６７】
１０    反応容器、
１１ａ〜１１ｄ    流入口、
１１ｘ〜１１ｚ    排気口、
１２    フローチャネル、
１３    遮熱板、
１４    隔壁、
１５    高温室、
２０    サセプタ、
２１    保持部、
２２    軸部、
２３    駆動機構、
３０    発熱機構、
３１ａ，３１ｂ    電極端子、
３２    発熱部、
４０    端子支持機構、
５１ａ，５１ｂ    絶縁ステー、
５２    ステージ、
５２ａ    ガイド、
６０    伸縮機構、
６１    カム、
６２ａ，６２ｂ    アーム、
６３ａ，６３ｂ    連結部、
６４    回転機構、
６５    付勢機構、
７０    伸縮機構、
７１    プランジャ、
７２    ヒータ、
７３    支持ステー、
７４ａ，７４ｂ    連結部、
８０    制御装置、
９０    サファイア基板、
９１    低温ＧａＮ層、
９２    ｎ型ＧａＮ層、
９３    発光層、
９４    ｐ型ＡｌＧａＮ層、
９５    ｐ型ＧａＮ層。
【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１】
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