(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向の回転軸に支持されたサセプタと、該サセプタの下部に配設されて箱型のリフレクター内に収納されたヒーターとを備え、該ヒーターにより加熱されるサセプタを介して該サセプタの上面に載置した基板を所定温度に加熱するとともに、該基板の表面に対して平行に原料ガスを流して基板面に半導体膜を成長させる横型気相成長装置において、前記リフレクターの内部の前記原料ガスの流れ方向に対して上流側に、前記サセプタ及びヒーターに向けて冷却ガスを噴出するためのガス噴出部を設けるとともに、該ガス噴出部に対向する下流側に冷却ガス排出用の排気口を設けたことを特徴とする横型気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、抵抗ヒーター等の加熱手段により加熱されるサセプタを介して基板を所定温度に加熱するとともに、該基板面に対して平行に気相成長ガスを流し、基板面に半導体膜を成長させる横型の気相成長装置であって、特に、ＧａＮ等の化合物半導体膜を成長させる有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に適した構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の横型気相成長装置の一例を示す断面図である。この気相成長装置は、密閉容器１内に、鉛直方向の回転軸（サセプタ支持軸）２に支持されたサセプタ３と、該サセプタ３の上方を覆う可動フローチャンネル４と、該可動フローチャンネル４の上流側の固定フローチャンネル５と、下流側の排気通路６と、前記サセプタ３の下部のヒーター７とを収納したものであって、基板８は、サセプタ３の上面に載置されてサセプタ３と一緒に回転するとともに、サセプタ３を介してヒーター７により所定温度に加熱される。
【０００３】
前記フローチャンネル４，５は、石英ガラスで形成された幅方向に偏平な角筒状のものであり、固定フローチャンネル５の上流には，原料ガス（気相成長ガス）等を供給するガス供給部が設けられている。また、ヒーター７は、サセプタ３を効率よく加熱できるように箱型のリフレクター９内に収納されており、回転軸２の中心部上端には、サセプタ３の中心部の温度を測定するための熱電対１０が設けられている。
【０００４】
ガス供給部から所定流量で供給され、フローチャンネル４，５を通ってサセプタ３の部分に到達した原料ガスは、高温に加熱されているサセプタ３の上方で熱分解し、分解したガス分子が基板８の表面に堆積して膜形成が行われる。堆積せずに基板面を通過した原料ガスやキャリアガスは、排気通路６から排出される。
【０００５】
一方、ＧａＮ系の半導体膜の成長操作は、成長温度を頻繁に変化させて行うようにしている。例えば、基板にサファイアや炭化珪素を使用し、原料ガス（反応ガス）にトリメチルガリウムとアンモニアとを使用する場合、最初に１２００℃程度に加熱してサーマルクリーニングを施した後、４５０℃程度に降温させて低温バッファ層を成長させ、次いで１１００℃程度に再加熱してＧａＮ層を成長させるようにしている。このとき、低温バッファ層を成長させた後の４５０℃程度から１１００℃程度までへの温度上昇時間が膜質に影響することが知られており、特に、１１００℃付近において温度を迅速に安定化させることが求められている。さらに、昇温時間や降温時間は、スループットに大きく影響し、特に、膜成長終了時点から搬送可能温度までの降温時間の短縮が強く求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の気相成長装置において、大量生産を目的としてサセプタの面積を増加させると、サセプタの面内に過度の温度分布が発生し、膜質が不均一になり歩留まりが低下する。この対策として、サセプタ中心部と外周部とに別個のヒーターを設置して独立に制御したり、中心のサセプタ支持軸の材質や形状を、熱の逃げが少ない構造にしたりすることが行われている。しかし、これだけでは、膜質が略均一となる温度分布（１１００±３℃程度）を得ることが困難であり、更なる手段として、サセプタの熱容量を大きくすることによって温度分布を緩和するようにしていた。この結果、膜の均一性の問題を解決することはできるが、昇温及び降温に要する時間が長くなり、膜質が劣化し、スループットも悪化するという問題が発生する。
【０００７】
一般に、熱容量が大きな系では、昇温速度に対して降温速度が極端に遅いため、通常のＰＩＤ制御の温度調節器では、目標温度付近での安定化に多くの時間を費やしていた。このため、大面積のサセプタを使用して、膜質やスループットを向上させるため、温度調節器の制御方法を改良するとともに、サセプタ支持軸にガス流路を設け、このガス流路からヒーター及びサセプタを冷却するためのガスを供給することにより、降温時間を短縮することが試みられた。
【０００８】
これにより、昇温時間の短縮はある程度達成され、降温速度の向上も図ることができたが、サセプタ支持軸から冷却用のガスを供給するようにしているため、冷却時にサセプタ中心に位置している熱電対が局所的に冷却され、実際の温度と、温度調節器の指示温度とに差が生じてしまい、例えば、１２００℃程度から４５０℃程度まで冷却する場合、所定の温度に安定させるまでの時間がかえって長くなるという問題が発生してしまった。
【０００９】
そこで本発明は、サセプタの実際の温度と、熱電対で測定した温度調節器の指示温度との間に差を生じさせることなく、サセプタを迅速に冷却することができ、均一性や膜質を損なうことなくスループットの向上が図れる横型気相成長装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、鉛直方向の回転軸に支持されたサセプタと、該サセプタの下部に配設されて箱型のリフレクター内に収納されたヒーターとを備え、該ヒーターにより加熱されるサセプタを介して該サセプタの上面に載置した基板を所定温度に加熱するとともに、該基板の表面に対して平行に原料ガスを流して基板面に半導体膜を成長させる横型気相成長装置において、前記リフレクターの内部の前記原料ガスの流れ方向に対して上流側に、前記サセプタ及びヒーターに向けて冷却ガスを噴出するためのガス噴出部を設けるとともに、該ガス噴出部に対向する下流側に冷却ガス排出用の排気口を設けたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の気相成長装置の一形態例を示すもので、図１は断面正面図、図２は要部の断面平面図である。この気相成長装置は、従来と同様に、サセプタ１１の上面に載置した基板１２の表面に対して平行に原料ガスを流して基板面に半導体膜を成長させる、いわゆる横型気相成長装置であって、原料ガスは、原料ガス供給部からフローチャンネル１３を介して基板部分に供給され、余剰の原料ガス等は、排気通路１４から排出される。
【００１３】
サセプタ１１は、中心に熱電対１５を挿入したサセプタ支持軸１６の上端に支持された円盤状のものであって、その裏面部分には、サセプタ１１を介して基板１２を所定温度に加熱するための加熱手段であるヒーター（抵抗ヒーター）１７が設けられている。また、サセプタ１１やヒーター１７の周囲は、ヒーター１７の熱をサセプタ１１に効率よく伝えるための箱型のリフレクター１８により覆われている。
【００１４】
そして、リフレクター１８の内部で、原料ガスの流れ方向に対して上流側となる両隅部には、サセプタ１１及びヒーター１７に向けて冷却ガスを噴出するためのガス噴出部１９が設けられるとともに、ガス噴出部１９に対向する下流側の壁面には、使用後の冷却ガスをリフレクター１８内から排出するための排気口２０が設けられている。
【００１５】
ガス噴出部１９は、冷却ガス供給管２１から供給される冷却ガスを、サセプタ１１とヒーター１７との間及びヒーター１７の裏面方向に噴出する噴出口１９ａを有するものであって、噴出口１９ａから噴出したガスは、原料ガスの流れ方向下流側に流れながらサセプタ１１及びヒーター１７を冷却した後、排気口２０から排出される。
【００１６】
冷却ガスとしては、この冷却ガスがサセプタ１１の上方に侵入しても気相成長に悪影響を与えるおそれが少ないガス、例えば、水素，窒素，アルゴンのように、この種の気相成長においてパージガスやキャリアガスとして用いられているガスを使用することが好ましく、特に、熱伝導の高いガスを使用することが好ましい。また、冷却ガスの流量は、膜成長の途中では、冷却ガスがサセプタ１１の上方にできるだけ侵入しない範囲に設定することが好ましいが、膜成長終了後の冷却時には、リフレクター１８内からのパーティクルの巻上げ等を生じない範囲で流量を増加させることができる。
【００１７】
このように、リフレクター１８の内部で、サセプタ１１の外周部近傍となる位置に、サセプタ１１及びヒーター１７に向けて冷却ガスを噴出するガス噴出部１９を設け、冷却時に冷却ガスを噴出させることにより、例えば図３に示すように、本発明では従来に比べて降温速度を大幅に速めることが可能となる。
【００１８】
また、ガス噴出部１９の設置位置やガス噴出口１９ａからのガスの噴出方向を、サセプタ１１の外周部近傍からサセプタ１１やヒーター１７に満遍なく冷却ガスを供給できるように設定することにより、サセプタ１１に温度分布をほとんど発生させずに冷却することが可能となるので、サセプタ１１の温度、即ち基板温度と熱電対により測定した温度調節器の指示温度とを一致させることができ、温度調節器の制御が安定し、比較的早く目的の温度に到達させることができる。さらに、昇温時にも適量の冷却ガスを流しておくことにより、昇温速度と降温速度とのバランスをとることができ、目標温度付近での安定化の時間が短くなり、目標温度への到達時間を短縮できる。
【００１９】
図４は、ヒーター１７の制御と冷却ガスの制御とを一つの温度調節器３１で行う場合の例を示すブロック図である。すなわち、温度調節器３１は、あらかじめ設定された温度パターンと、熱電対１５から得られる温度情報３２とを比較し、加熱する場合には、ヒーター出力電圧又は電流を制御するサイリスタ３３に加熱信号３４を出力し、冷却する場合には、ガス噴出部１９から噴出する冷却ガス量を制御する流量調節器（マスフローコントローラー：ＭＦＣ）３５に冷却信号３６を出力する。
【００２０】
このようにして温度調節を行うことにより、迅速に昇温したい場合には冷却ガスを止め、迅速に冷却したい場合にはヒーターを切るという動作を自動的かつ連続的に行うことができ、電力や冷却ガスの無駄をなくして効率のよい加熱、冷却を行うことができる。また、ヒーター出力と冷却ガス量とを調和させることにより、微妙な温度変化にも対応することができる。
【００２１】
図５は、サセプタ１１（基板１２）の冷却をより迅速に行うための一形態例を示す要部の断面図であって、サセプタ１１を、想像線で示す気相成長位置から僅かに上昇させることができるように形成したものである。すなわち、前記サセプタ支持軸１６の下部を回転可能に支持する軸受けをシリンダやモーターで上下動可能とし、冷却時にサセプタ１１をフローチャンネル１３の天井面に接触しない程度に上昇させるように形成したものである。
【００２２】
このように冷却時にサセプタ１１をヒーター１７から離してフローチャンネル１３内に上昇させることにより、フローチャンネル１３内を流れる大量のパージガスによってサセプタ１１を冷却することができるので、前記ガス噴出部１９から噴出する冷却ガスによる冷却作用との相乗効果によってサセプタ１１を効率よく迅速に冷却することができる。
【００２３】
図６は、目標の温度に到達する時間をより短縮し、スループットの更なる向上を図るための温度調節器の構成例を示すブロック図である。この温度調節器４１は、二種類の温度制御手段、例えば、ＰＩＤ動作によって温度制御を行うＰＩＤ温度制御手段（ＰＩＤ）４２と、ＯＮ／ＯＦＦ動作によって温度制御を行うＯＮ／ＯＦＦ温度制御手段（ＯＮ／ＯＦＦ）４３とを組合わせ、両温度制御手段から前記サイリスタ３３に加熱信号３４を出力し、これによって昇降温速度を向上させながら温度安定性を得るようにしている。
【００２４】
すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ温度制御手段４３は、設定温度未満ではヒーター出力を１００％とし、設定温度以上ではヒーター出力を０％として制御を行うため、気相成長のように、許容温度範囲が狭い場合には温度の安定性で難があり、これ単独では使用することができない。
【００２５】
一方、ＰＩＤ温度制御手段４２は、設定温度に到達する前、かなり速い段階からヒーター出力の調節を開始するため、設定温度近くの昇温速度や降温速度は緩いカーブを描くことになり、温度安定性には優れているものの、昇温や降温に長時間を要するという難点があった。
【００２６】
そこで上記温度調節器４１では、図７に実線で示すように、設定温度（目標温度）の近傍まではＯＮ／ＯＦＦ温度制御手段４３から出力されるＯＮ／ＯＦＦ動作によってヒーター出力を１００％（加熱時）又は０％（冷却時）とすることにより短時間で設定温度近くまで温度を上昇又は下降させた後、温度制御をＰＩＤ温度制御手段４２によるＰＩＤ動作に切替えることにより設定温度における温度安定性を得るようにしたものである。
【００２７】
これにより、図７に一点鎖線で示す従来の昇温カーブに比べて昇温あるいは降温に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。したがって、このような二種類の温度制御手段を用いた温度調節器４１と、前記ガス噴出部１９からの冷却ガスの噴出による冷却とを組合わせることにより、昇温及び降温に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００２８】
図８は、従来の気相成長装置における昇温及び降温の温度変化（一点鎖線）と、本発明の上記組合せによる昇温及び降温の温度変化（実線）とを比較して示すものである。図から明らかなように、上記温度調節器４１とガス噴出部１９とを組合せて用いることにより、昇温時間や降温時間を大幅に短縮することができ、スループットの改善が図れることがわかる。さらに、４５０℃程度から１１００℃程度までへの昇温時間が短縮できることから、ＧａＮ層の成長においては膜質の向上も図れる。
【００２９】
したがって、均一で良好な膜質の成長膜、特に、ＧａＮ系の半導体膜を効率よく確実に成長させることができ、歩留まりの向上とともに、スループットの改善により生産性を大幅に向上させることができる。
【００３０】
なお、加熱手段としては、前記抵抗ヒーターの他、ＲＦコイル等の任意の加熱手段を用いることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の横型気相成長装置によれば、サセプタを効率よく迅速に冷却することができ、スループットの改善が図れる。特に、複数の温度制御手段によってヒーターを制御する温度調節器を組合わせることにより、昇温及び冷却の双方を迅速に行うことができるので、均一で良好な膜質の半導体膜を生産性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の横型気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。
【図２】  同じく要部の断面平面図である。
【図３】  本発明における降温速度と従来の降温速度とを比較して示す図である。
【図４】  ヒーターの制御と冷却ガスの制御とを一つの温度調節器で行う場合の例を示すブロック図である。
【図５】  サセプタの冷却をより迅速に行うための一形態例を示す要部の断面図である。
【図６】  昇降温速度を向上させるための温度調節器の構成例を示すブロック図である。
【図７】  昇温速度を向上させたときの昇温速度と従来の昇温速度とを比較して示す図である。
【図８】 従来の横型気相成長装置における昇温及び降温の温度変化と、本発明の昇温及び降温の温度変化とを比較して示す図である。
【図９】 従来の横型気相成長装置の一例を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１１…サセプタ、１２…基板、１３…フローチャンネル、１４…排気通路、１５…熱電対、１６…サセプタ支持軸、１７…ヒーター、１８…リフレクター、１９…ガス噴出部、２０…排気口、２１…冷却ガス供給管、３１…温度調節器、３２…温度情報、３３…サイリスタ、３４…加熱信号、３５…流量調節器、３６…冷却信号、４１…温度調節器、４２…ＰＩＤ温度制御手段、４３…ＯＮ／ＯＦＦ温度制御手段
【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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