気相成長装置および気相成長方法
【課題】基板により均一な膜厚で成膜する気相成長装置および気相成長方法、を提供する。
【解決手段】ＭＯＣＶＤ装置１０は、処理室１２に配置される頂面２１ａを有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転するサセプタ２１と、サセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置に複数のガス吐出口４４，４９を有し、複数のガス吐出口４４，４９を通じて処理室１２に原料ガスを供給するシャワーヘッド３１とを備える。サセプタ２１には、頂面２１ａから凹み、基板９０が載置される凹部２２が形成される。基板は、基板と凹部２２の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、サセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。
【解決手段】ＭＯＣＶＤ装置１０は、処理室１２に配置される頂面２１ａを有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転するサセプタ２１と、サセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置に複数のガス吐出口４４，４９を有し、複数のガス吐出口４４，４９を通じて処理室１２に原料ガスを供給するシャワーヘッド３１とを備える。サセプタ２１には、頂面２１ａから凹み、基板９０が載置される凹部２２が形成される。基板は、基板と凹部２２の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、サセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、気相成長装置および気相成長方法に関し、より特定的には、基板を設置するための基台が高速で回転する気相成長装置、およびそのような装置を用いた気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気相成長装置に関して、たとえば、特開平１１−５４４３７号公報には、基板の端部近傍に形成される発光素子の輝度強度の低下を防ぐことを目的とした化合物半導体膜の形成方法が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された化合物半導体膜の形成方法においては、サセプタに基板を設置するための凹部が形成される。凹部内に、凹部の側壁部側が高くなるような段差部が設けられたり、凹部の底面がすり鉢状に湾曲して形成されたりする。
【０００３】
また、特開２００７−２１４３４４号公報には、基板が下向きに反ることによる局所加熱を防ぐことを目的とした化合物半導体膜の形成方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された化合物半導体膜の形成方法においては、サセプタの上面に凹部が形成される。凹部は、基板の下方への反りに対応して、基板の中心がサセプタに常に非接触となり、基板の外周部がサセプタに常に接触するように形成される。
【０００４】
また、特開２０１０−１２６７９６号公報には、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のばらつきを抑え、一枚の半導体基板から良品の割合が高い窒化物系化合物半導体素子を複数作成することを目的とした気相成長装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された気相成長装置は、半導体基板を保持するための基板ホルダーを有する。基板ホルダーの半導体基板と対向する面は、半導体基板の反りの形状と略同一の形状に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５４４３７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４３４４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２６７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光ダイオードまたは半導体レーザなどの製造に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられている。このＭＯＣＶＤ法では、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入することにより、基板上に化合物半導体結晶を成長させる。
【０００７】
このようにＭＯＣＶＤ法は、原料ガスを水素または窒素などの不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造では、成長させる化合物半導体結晶の品質を向上させるとともに、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが同時に要求される。
【０００８】
上述の特許文献１〜３には、ＭＯＣＶＤ法を用いて基板に成膜するための気相成長装置が開示されている。たとえば、特許文献１に開示されたサセプタには、基板を設置するための凹部が形成される。サセプタを回転させつつそのサセプタ上に原料ガスを供給すると、原料ガスがサセプタの内周側から外周側に向けて流れる。この間、基板上を通過した原料ガスが成膜に寄与することによって、基板の気相成長面に化合物半導体膜が堆積される。
【０００９】
しかしながら、凹部は、基板のセッティングを可能とするために基板よりも大きい形状に形成されており、凹部の内壁と基板との間に隙間が生じる。原料ガスがその隙間を通過する間、成膜による原料ガスの消費量が小さくなるため、原料ガス流れの上流側に位置決めされた基板の端部（基板の上流側端部）で、原料ガスの濃度が高まる。その結果、基板上に形成される化合物半導体膜の膜厚が上流側端部で局所的に大きくなり、基板に均一な膜厚で成膜できないという懸念が生じる。
【００１０】
また、ＭＯＣＶＤ法を用いた成膜工程では、原料ガスの利用効率を向上させたり、膜厚の均一性を向上させたりする目的で、サセプタを８００ｒｐｍ以上の高速で回転させる場合がある。この場合、サセプタが低速で回転する場合と比較して、原料ガスが凹部の内壁と基板との間の隙間に拡散し難くなり、成膜による原料ガスの消費量が特に小さくなる。このため、化合物半導体膜の膜厚が上流側端部で局所的に大きくなる上記懸念が特に顕著となる。
【００１１】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、基板により均一な膜厚で成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に従った気相成長装置は、基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長装置である。気相成長装置は、処理室に配置される頂面を有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台と、基台の頂面に向かい合う位置に複数のガス吐出口を有し、複数のガス吐出口を通じて処理室に原料ガスを供給するガス供給部とを備える。基台には、頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成される。基板は、基板と凹部の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、基台の頂面よりも高い位置に配置される。
【００１３】
このように構成された気相成長装置によれば、基板の気相成長面が基台の頂面よりも高い位置に配置されるため、複数のガス吐出口から処理室に供給され、基台の頂面上を流れる原料ガスが、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過して気相成長面に到達する前に、基板の側部と衝突して消費される。これにより、基板の上流側端部で原料ガスの濃度が高まる現象を抑制し、基板により均一な膜厚で成膜することができる。
【００１４】
また好ましくは、凹部の直径をＤとし、基板の直径をｄとする場合に、凹部は、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たすように形成される。
【００１５】
このように構成された気相成長装置によれば、基板と凹部の内壁との間の隙間を、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たす幅に設定することにより、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過する際に原料ガスの濃度が上昇する現象を抑制できる。これにより、基板の上流側端部における原料ガスの濃度を適切に制御することができる。
【００１６】
また好ましくは、ガス供給部により供給される原料ガスは、キャリアガスとして窒素を含まない。このように構成された気相成長装置によれば、基板にさらに均一な膜厚で成膜することができる。
【００１７】
この発明に従った気相成長方法は、基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長方法である。気相成長方法は、処理室に配置される頂面を有する基台に基板を設置する工程と、基台を８００ｒｐｍ以上の速度で回転させるとともに、頂面に向かい合う位置から処理室に原料ガスを供給する工程とを備える。基台には、その頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成される。基板を設置する工程は、基板と凹部の内壁との間に隙間が形成され、かつ、基板の気相成長面が頂面よりも高い位置に配置されるように、基台に基板を設置する工程を含む。
【００１８】
このように構成された気相成長方法によれば、基板の気相成長面が基台の頂面よりも高い位置に配置されるように、基台に基板を載置するため、複数のガス吐出口から処理室に供給され、基台の頂面上を流れる原料ガスが、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過して気相成長面に到達する前に、基板の側部と衝突して消費される。これにより、基板の上流側端部で原料ガスの濃度が高まる現象を抑制し、基板により均一な膜厚で成膜することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上に説明したように、この発明に従えば、基板により均一な膜厚で成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を示す断面図である。
【図２】図１中のシャワーヘッドを構成するプレートを示す底面図である。
【図３】図１中のサセプタを示す平面図である。
【図４】図３中のサセプタを示す断面図である。
【図５】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、サセプタの断面を示す図である。
【図６】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。
【図７】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す別の図である。
【図８】この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。
【図９】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示すさらに別の図である。
【図１０】第１実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１１】第２実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１２】第２実施例において、基板および凹部間の隙間の大きさと、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２２】
図１は、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を示す断面図である。
【００２３】
図１を参照して、ＭＯＣＶＤ装置１０は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板に化合物半導体膜を成膜するための装置である。ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応炉１１と、シャワーヘッド３１と、ＩＩＩ族系ガス供給源４１と、Ｖ族系ガス供給源４６と、マスフローコントローラ４２およびマスフローコントローラ４７と、冷却装置５１とを有する。
【００２４】
反応炉１１は、処理対象物である基板の気相成長面に化合物半導体結晶を成長させるための処理室１２を形成している。処理室１２は、反応炉１１内部の中空部により形成されている。
【００２５】
シャワーヘッド３１は、処理室１２に成膜に寄与する原料ガスを供給するためのガス供給部として設けられている。シャワーヘッド３１は、反応炉１１に接続されている。シャワーヘッド３１は、反応炉１１の天井部に配置されている。シャワーヘッド３１は、ガス導入部３２と、冷却部としての水冷部３３と、ガス吐出口形成部としてのプレート３４とから構成されている。
【００２６】
ＩＩＩ族系ガス供給源４１は、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスの供給源として設けられ、Ｖ族系ガス供給源４６は、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源として設けられている。ＩＩＩ族系ガス供給源４１は、ＩＩＩ族系ガス配管４３を介してガス導入部３２に接続され、Ｖ族系ガス供給源４６は、Ｖ族系ガス配管４８を介してガス導入部３２に接続されている。
【００２７】
ＩＩＩ族系ガス配管４３の管路上には、ＩＩＩ族系ガス供給源４１からガス導入部３２に対するＩＩＩ族系ガスの導入量を調節可能とする、ＩＩＩ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ４２が設けられている。Ｖ族系ガス配管４８の管路上には、Ｖ族系ガス供給源４６からガス導入部３２に対するＶ族系ガスの導入量を調節可能とする、Ｖ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ４７が設けられている。
【００２８】
ＩＩＩ族元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはＩｎ（インジウム）などがあり、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとして、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスの１種類以上が用いられる。また、Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとして、たとえば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスの１種類以上が用いられる。
【００２９】
冷却装置５１は、水冷系配管５２を介して水冷部３３に接続されている。水冷部３３には、水冷系配管５２を通じて冷却装置５１から冷却水が供給される。水冷部３３に供給された冷却水は、ガス導入部３２に導入された原料ガスを冷却し、原料ガスが高温となることを防止する。これにより、シャワーヘッド３１において原料ガスが反応して反応物が生じ、その反応物によって後述するガス吐出口４４およびガス吐出口４９が塞がれることを防止できる。
【００３０】
図２は、図１中のシャワーヘッドを構成するプレートを示す底面図である。図１および図２を参照して、プレート３４は、処理室１２に配置されている。プレート３４は、シャワーヘッド３１の底部に設けられている。
【００３１】
プレート３４には、複数のガス吐出口４４と、複数のガス吐出口４９とが形成されている。ガス吐出口４４およびガス吐出口４９は、処理室１２に開口している。
【００３２】
ＩＩＩ族系ガス供給源４１からガス導入部３２に導入されたＩＩＩ族系ガスは、複数のガス吐出口４４を通じて処理室１２に供給され、Ｖ族系ガス供給源４６からガス導入部３２に導入されたＶ族系ガスは、複数のガス吐出口４９を通じて処理室１２に供給される。処理室１２にＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスが均一に供給されるように、複数のガス吐出口４４と複数のガス吐出口４９とは、プレート３４の底面に平面的に散らばって配置されている。複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９は、後述するサセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置で開口している。
【００３３】
なお、図２中では、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９を互いに区別するため、ガス吐出口４４にハッチングが付されている。
【００３４】
図３は、図１中のサセプタを示す平面図である。図１から図３を参照して、ＭＯＣＶＤ装置１０は、サセプタ２１と、回転軸１３と、ヒータ１５と、被覆板（ヒータカバー）５８とをさらに有する。
【００３５】
サセプタ２１は、処理室１２において処理対象物である基板９０を支持するための基台として設けられている。サセプタ２１は、プレート３４と対向して配置されている。サセプタ２１は、図中に仮想線として示された中心線１０１を中心とする円盤形状を有する。サセプタ２１は、導電性材料、たとえばカーボンから形成されている。
【００３６】
サセプタ２１は、頂面２１ａを有する。頂面２１ａは、処理室１２に配置されている。頂面２１ａは、プレート３４と向かい合っている。頂面２１ａは、プレート３４に開口する複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９と向かい合っている。頂面２１ａは、複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９が開口するプレート３４の底面と平行に延在している。頂面２１ａは、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９から原料ガスが吐出される方向に直交する平面内で延在する。
【００３７】
ヒータ１５は、サセプタ２１に支持された基板を加熱するための加熱部として設けられている。サセプタ２１は、ヒータ１５上に設置されている。ヒータ１５は、サセプタ２１に対してシャワーヘッド３１の反対側に配置されている。
【００３８】
回転軸１３は、中心線１０１に沿って延伸し、サセプタ２１に接続されている。回転軸１３は、図示しないアクチュエータにより回転可能に設けられている。回転軸１３の回転に伴って、サセプタ２１は、中心線１０１を中心に図３中の矢印１１０に示す方向に回転する。サセプタ２１は、頂面２１ａがプレート３４と向かい合った姿勢を維持しながら回転する。
【００３９】
本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、サセプタ２１が、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する。サセプタ２１を高速回転させることにより、高速回転時に生じるせん断流れにより原料ガスが基板９０に引き寄せられるため、成膜に寄与する原料ガスの割合が向上する。また、基板９０の成膜面に生じる境界層の厚みの均一性が高まるため、境界層の厚みと反比例の関係にある膜厚の均一性が向上する。
【００４０】
被覆板５８は、中心線１０１を中心とする外周上で、サセプタ２１、回転軸１３およびヒータ１５を取り囲むように設けられている。
【００４１】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、ガス排気部５７およびガス処理装置５６をさらに有する。ガス排気部５７は、処理室１２の内部の原料ガスを外部に排気するために設けられている。ガス排気部５７は、反応炉１１に接続されている。ガス排気部５７は、サセプタ２１よりも外周側であって、かつ、シャワーヘッド３１側から見てサセプタ２１の頂面２１ａよりも遠い位置で、処理室１２に連通している。
【００４２】
ガス処理装置５６は、パージライン５５を介してガス排気部５７に接続されている。ガス処理装置５６は、パージライン５５を通じてガス排気部５７から送られた原料ガスを無害化するための処理を行なう。
【００４３】
図４は、図３中のサセプタを示す断面図である。図１から図４を参照して、サセプタ２１には、凹部２２が形成されている。本実施の形態では、サセプタ２１に複数の凹部２２が形成されている。
【００４４】
凹部２２は、頂面２１ａから凹む凹形状に形成されている。凹部２２は、中心線１０１から半径方向外側にずれた配置されている。複数の凹部２２は、中心線１０１を中心とする周方向において互いに間隔を隔てて配置されている。複数の凹部２２は、中心線１０１を中心とする周方向において等間隔に配置されている。本実施の形態では、４つの凹部２２が９０°間隔で配置されている。処理対象物である基板９０は、凹部２２に載置される。
【００４５】
頂面２１ａを正面から見た場合に、凹部２２は、基板９０に対応する形状である円形を有する。基板９０を凹部２２に載置可能なように、凹部２２は、基板９０よりも大きい形状を有する（基板９０の直径ｄ＜凹部２２の直径Ｄ）。一例を挙げると、直径１００ｍｍを有する基板９０に対して、凹部２２の直径を１０５ｍｍに設定する。基板９０は、凹部２２の略中心位置に載置される。基板９０を凹部２２に載置した状態で、凹部２２の内壁と基板９０のとの間には、隙間６１が形成される。
【００４６】
基板９０は、処理室１２において化合物半導体結晶が成長される気相成長面９０ａを有する。基板９０は、気相成長面９０ａとプレート３４とが対向するように凹部２２に載置される。気相成長面９０ａは、サセプタ２１の頂面２１ａと平行に延在する。本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、基板９０は、気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるように凹部２２に設置される。すなわち、基板９０の高さをｈとし、凹部２２の深さをＨとする場合に、基板９０は、ｈ＞Ｈの関係を満たすように凹部２２に配置される。
【００４７】
一例を挙げると、気相成長面９０ａが、サセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高い位置に配置されるように、凹部２２の深さが決定される。本実施の形態では、気相成長面９０ａと凹部２２との高さの差が、凹部２２の深さよりも小さい。
【００４８】
ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて基板９０に成膜する気相成長方法について説明すると、まず、サセプタ２１の凹部２２に基板９０を載置する。この際、基板９０と凹部２２の内壁との間に隙間６１が形成され、かつ、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるように、基板９０を凹部２２に載置する。次に、ヒータ１５の加熱によってサセプタ２１を介して基板９０を所定の温度まで加熱するとともに、サセプタ２１を、中心線１０１を中心に８００ｒｐｍ以上の速度で回転させる。
【００４９】
ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスを、それぞれ、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９から処理室１２に供給する。この際、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入量を、それぞれ、図示しない制御部から信号を受けたマスフローコントローラ４２およびマスフローコントローラ４７により制御する。
【００５０】
処理室１２に供給された原料ガスは、サセプタ２１の頂面２１ａに直交する方向に流れ、その後、各ガス吐出口４４，４９に対向する頂面２１ａ上の位置から、中心線１０１を中心とする半径方向外側に向けて流れる。原料ガスが加熱された基板９０上を通過する間、基板９０の気相成長面９０ａに、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。
【００５１】
続いて、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０およびＭＯＣＶＤ装置１０を用いた気相成長方法において奏される作用、効果について説明する。
【００５２】
図５は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、サセプタの断面を示す図である。図６は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。図中には、各断面位置に対応させて原料ガスの濃度および化合物半導体膜の膜厚の変化を示したグラフが示されている。
【００５３】
図５および図６を参照して、本比較例では、気相成長面９０ａとサセプタ２１の頂面２１ａとが同じ高さに配置されている。
【００５４】
図５中に示すように、原料ガスがサセプタ２１上で中心線１０１を中心とする半径方向外側に向けて流れる間、原料ガスの一部が成膜に寄与する一方で、各ガス吐出口４４，４９から供給された新たな原料ガスがサセプタ２１上の流れに加わっていく。このため、サセプタ２１上の各位置で原料ガスの濃度が一定に維持されつつ、サセプタ２１の頂面２１ａに一定の膜厚で成膜が施されることとなる。
【００５５】
図６中に示すように、基板９０と凹部２２の内壁との間には、隙間６１が形成される。原料ガスがこの隙間６１を通過する間、成膜による原料ガスの消費量が小さくなるため、原料ガスの濃度が、原料ガス流れの上流側に位置決めされた基板９０の端部（基板９０の上流側端部）で高くなる。この場合、その高濃度の原料ガスによって成膜された基板９０の上流側端部で、膜厚が局所的に大きくなる現象が生じる。
【００５６】
図７は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す別の図である。図中では、各断面位置に対応させて、サセプタ２１が高速回転する場合の原料ガスの濃度の変化がライン１２６によって示され、サセプタ２１が低速回転する場合の原料ガスの濃度の変化がライン１２７によって示されている。
【００５７】
図７を参照して、サセプタ２１が８００ｒｐｍ以上の速度で高速回転する場合（隙間６１に記載された曲線１２１）、サセプタ２１が低速回転する場合（隙間６１に記載された曲線１２２）と比較して、原料ガスは、頂面２１ａ上から気相成長面９０ａ上に向かう間に隙間６１の浅い範囲までしか拡散せず、その結果、気相成長面９０ａに到達する原料ガスの量が大きくなる。原料ガスの濃度と膜厚とは比例関係にあるため、特にサセプタ２１が８００ｒｐｍ以上の速度で高速回転する場合に、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象が顕著となる。
【００５８】
図８は、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。図中には、各断面位置に対応させて原料ガスの濃度および化合物半導体膜の膜厚の変化を示したグラフが示されている。
【００５９】
図８を参照して、これに対して、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。このような構成によれば、サセプタ２１上を流れる原料ガスは、気相成長面９０ａに到達する前に基板９０の側面９０ｂと衝突することによって部分的に消費される。これにより、気相成長面９０ａに到達する原料ガスの濃度を適切に制御し、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象を回避することができる。
【００６０】
図９は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示すさらに別の図である。図中では、各断面位置に対応させて、基板および凹部間の隙間の幅が小さい場合の原料ガスの濃度の変化がライン１４１によって示され、基板および凹部間の隙間の幅が大きい場合の原料ガスの濃度の変化がライン１４２によって示されている。
【００６１】
図９中に示すように、基板９０の凹部２２の内壁との間の隙間６１の幅が大きい場合、隙間６１の幅が小さい場合と比較して、基板９０の上流側端部における原料ガス濃度の上昇が大きくなる。基板９０の上流側端部における原料ガス濃度の上昇を抑えた上で、原料ガスと基板９０の側面９０ｂとの衝突により原料ガス濃度を適切に制御するという観点から、基板９０と凹部２２の内壁との間の隙間６１を、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍ（ｄ：基板９０の直径，Ｄ：凹部２２の直径）の関係を満たす幅に設定することが好ましい。
【００６２】
以上に説明した、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ装置１０は、基板９０が設置された処理室１２に原料ガスを供給することにより、基板９０の気相成長面９０ａに成膜する。ＭＯＣＶＤ装置１０は、処理室１２に配置される頂面２１ａを有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台としてのサセプタ２１と、サセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置に複数のガス吐出口４４，４９を有し、複数のガス吐出口４４，４９を通じて処理室１２に原料ガスを供給するガス供給部としてのシャワーヘッド３１とを備える。サセプタ２１には、頂面２１ａから凹み、基板９０が載置される凹部２２が形成される。基板９０は、基板９０と凹部２２の内壁との間に隙間６１が形成されるように配置され、かつ、基板９０の気相成長面９０ａは、サセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。
【００６３】
このように構成された、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０によれば、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるため、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象を回避できる。これにより、基板９０により均一な膜厚で化合物半導体膜を成膜することができる。
【００６４】
続いて、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０によって奏される上記作用、効果を確認するため行なった実施例について説明する。
【００６５】
図１０は、第１実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【００６６】
図１０を参照して、本実施例では、ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、基板９０の気相成長面９０ａにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させた。この際、基板９０の直径ｄを１００ｍｍとし、凹部２２の直径Ｄを１０５ｍｍとし、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定した。化合物半導体膜の成長条件に関して、基板温度を１１００℃とし、成長圧力を１００Ｔｏｒｒとし、原料ガスの総流量を２０Ｌ／ｍｉｎとし、サセプタ２１の回転速度を８００ｒｐｍとした。原料ガスのキャリアガスとして、水素ガスを用いた。
【００６７】
成膜工程の後、基板９０に形成された化合物半導体膜の膜厚を、基板９０の上流側端部からの距離Ｘ（図４を参照のこと）ごとに測定し、その結果を図１０中に示した。Ｘ＝５０ｍｍのときが基板９０の中心である。また、比較のため、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａと同じ高さとした場合と、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ低く設定した場合とについても、同様の成膜工程および測定工程を実施し、その結果を図１０中に示した。
【００６８】
図１０中に示す結果から分かるように、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定した実施例では、他の２つの比較例と較べて、基板９０の上流側端部における化合物半導体膜の膜厚を小さく抑えることができた。
【００６９】
また、追加の実施例として、原料ガスのキャリアガスとして窒素ガスを用いた場合について上記の成膜工程および測定工程を実施した。その結果、キャリアガスとして水素ガスを用いた場合と窒素ガスを用いた場合とを比較すると、水素ガスを用いた場合に（キャリアガスとして窒素ガスを含まない場合）に、基板９０の上流側端部における化合物半導体膜の膜厚がより小さくなることを確認できた。
【００７０】
図１１は、第２実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【００７１】
図１１を参照して、本実施例においても、第１実施例と同様の成長条件で基板９０に成膜工程を実施した。この際、基板９０の直径ｄを１００ｍｍとし、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定するとともに、凹部２２の直径Ｄを１０５ｍｍ（Ｂ＝（Ｄ−ｄ）＝５ｍｍ）、１０７．５ｍｍ（Ｂ＝７．５ｍｍ）、１１０ｍｍ（Ｂ＝１０ｍｍ）、１１１ｍｍ（Ｂ＝１１ｍｍ）、１１２ｍｍ（Ｂ＝１２ｍｍ）と変化させた。
【００７２】
図１２は、第２実施例において、基板および凹部間の隙間の大きさと、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みとの関係を示すグラフである。成膜工程の後、基板９０に形成された化合物半導体膜の膜厚を、基板９０の上流側端部からの距離Ｘごとに測定し、その結果を図１１中に示した。また、基板および凹部の直径の差Ｂを５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍとした場合の基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みを図１２中に示した。
【００７３】
図１１および図１２中に示す結果から分かるように、Ｂ≦１０ｍｍ、すなわち、基板９０と凹部２２の内壁との間の隙間６１が、Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たす幅に設定されている時に、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みをより小さく抑えることができた。
【００７４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
この発明は、たとえば、縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置に適用される。
【符号の説明】
【００７６】
１０ ＭＯＣＶＤ装置、１１ 反応炉、１２ 処理室、１３ 回転軸、１５ ヒータ、２１ サセプタ、２１ａ 頂面、２２ 凹部、３１ シャワーヘッド、３２ ガス導入部、３３ 水冷部、３４ プレート、４１ ＩＩＩ族系ガス供給源、４２，４７マスフローコントローラ、４３ ＩＩＩ族系ガス配管、４４，４９ ガス吐出口、４６ Ｖ族系ガス供給源、４８ Ｖ族系ガス配管、５１ 冷却装置、５２ 水冷系配管、５５ パージライン、５６ ガス処理装置、５７ ガス排気部、５８ 被覆板、６１ 隙間、９０ 基板、９０ａ 気相成長面、９０ｂ 側面。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、気相成長装置および気相成長方法に関し、より特定的には、基板を設置するための基台が高速で回転する気相成長装置、およびそのような装置を用いた気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気相成長装置に関して、たとえば、特開平１１−５４４３７号公報には、基板の端部近傍に形成される発光素子の輝度強度の低下を防ぐことを目的とした化合物半導体膜の形成方法が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された化合物半導体膜の形成方法においては、サセプタに基板を設置するための凹部が形成される。凹部内に、凹部の側壁部側が高くなるような段差部が設けられたり、凹部の底面がすり鉢状に湾曲して形成されたりする。
【０００３】
また、特開２００７−２１４３４４号公報には、基板が下向きに反ることによる局所加熱を防ぐことを目的とした化合物半導体膜の形成方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された化合物半導体膜の形成方法においては、サセプタの上面に凹部が形成される。凹部は、基板の下方への反りに対応して、基板の中心がサセプタに常に非接触となり、基板の外周部がサセプタに常に接触するように形成される。
【０００４】
また、特開２０１０−１２６７９６号公報には、作製される窒化物系化合物半導体素子の発振波長のばらつきを抑え、一枚の半導体基板から良品の割合が高い窒化物系化合物半導体素子を複数作成することを目的とした気相成長装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された気相成長装置は、半導体基板を保持するための基板ホルダーを有する。基板ホルダーの半導体基板と対向する面は、半導体基板の反りの形状と略同一の形状に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５４４３７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４３４４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２６７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光ダイオードまたは半導体レーザなどの製造に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられている。このＭＯＣＶＤ法では、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入することにより、基板上に化合物半導体結晶を成長させる。
【０００７】
このようにＭＯＣＶＤ法は、原料ガスを水素または窒素などの不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造では、成長させる化合物半導体結晶の品質を向上させるとともに、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが同時に要求される。
【０００８】
上述の特許文献１〜３には、ＭＯＣＶＤ法を用いて基板に成膜するための気相成長装置が開示されている。たとえば、特許文献１に開示されたサセプタには、基板を設置するための凹部が形成される。サセプタを回転させつつそのサセプタ上に原料ガスを供給すると、原料ガスがサセプタの内周側から外周側に向けて流れる。この間、基板上を通過した原料ガスが成膜に寄与することによって、基板の気相成長面に化合物半導体膜が堆積される。
【０００９】
しかしながら、凹部は、基板のセッティングを可能とするために基板よりも大きい形状に形成されており、凹部の内壁と基板との間に隙間が生じる。原料ガスがその隙間を通過する間、成膜による原料ガスの消費量が小さくなるため、原料ガス流れの上流側に位置決めされた基板の端部（基板の上流側端部）で、原料ガスの濃度が高まる。その結果、基板上に形成される化合物半導体膜の膜厚が上流側端部で局所的に大きくなり、基板に均一な膜厚で成膜できないという懸念が生じる。
【００１０】
また、ＭＯＣＶＤ法を用いた成膜工程では、原料ガスの利用効率を向上させたり、膜厚の均一性を向上させたりする目的で、サセプタを８００ｒｐｍ以上の高速で回転させる場合がある。この場合、サセプタが低速で回転する場合と比較して、原料ガスが凹部の内壁と基板との間の隙間に拡散し難くなり、成膜による原料ガスの消費量が特に小さくなる。このため、化合物半導体膜の膜厚が上流側端部で局所的に大きくなる上記懸念が特に顕著となる。
【００１１】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、基板により均一な膜厚で成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に従った気相成長装置は、基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長装置である。気相成長装置は、処理室に配置される頂面を有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台と、基台の頂面に向かい合う位置に複数のガス吐出口を有し、複数のガス吐出口を通じて処理室に原料ガスを供給するガス供給部とを備える。基台には、頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成される。基板は、基板と凹部の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、基台の頂面よりも高い位置に配置される。
【００１３】
このように構成された気相成長装置によれば、基板の気相成長面が基台の頂面よりも高い位置に配置されるため、複数のガス吐出口から処理室に供給され、基台の頂面上を流れる原料ガスが、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過して気相成長面に到達する前に、基板の側部と衝突して消費される。これにより、基板の上流側端部で原料ガスの濃度が高まる現象を抑制し、基板により均一な膜厚で成膜することができる。
【００１４】
また好ましくは、凹部の直径をＤとし、基板の直径をｄとする場合に、凹部は、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たすように形成される。
【００１５】
このように構成された気相成長装置によれば、基板と凹部の内壁との間の隙間を、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たす幅に設定することにより、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過する際に原料ガスの濃度が上昇する現象を抑制できる。これにより、基板の上流側端部における原料ガスの濃度を適切に制御することができる。
【００１６】
また好ましくは、ガス供給部により供給される原料ガスは、キャリアガスとして窒素を含まない。このように構成された気相成長装置によれば、基板にさらに均一な膜厚で成膜することができる。
【００１７】
この発明に従った気相成長方法は、基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長方法である。気相成長方法は、処理室に配置される頂面を有する基台に基板を設置する工程と、基台を８００ｒｐｍ以上の速度で回転させるとともに、頂面に向かい合う位置から処理室に原料ガスを供給する工程とを備える。基台には、その頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成される。基板を設置する工程は、基板と凹部の内壁との間に隙間が形成され、かつ、基板の気相成長面が頂面よりも高い位置に配置されるように、基台に基板を設置する工程を含む。
【００１８】
このように構成された気相成長方法によれば、基板の気相成長面が基台の頂面よりも高い位置に配置されるように、基台に基板を載置するため、複数のガス吐出口から処理室に供給され、基台の頂面上を流れる原料ガスが、基板と凹部の内壁との間の隙間を通過して気相成長面に到達する前に、基板の側部と衝突して消費される。これにより、基板の上流側端部で原料ガスの濃度が高まる現象を抑制し、基板により均一な膜厚で成膜することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上に説明したように、この発明に従えば、基板により均一な膜厚で成膜する気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を示す断面図である。
【図２】図１中のシャワーヘッドを構成するプレートを示す底面図である。
【図３】図１中のサセプタを示す平面図である。
【図４】図３中のサセプタを示す断面図である。
【図５】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、サセプタの断面を示す図である。
【図６】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。
【図７】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す別の図である。
【図８】この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。
【図９】比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示すさらに別の図である。
【図１０】第１実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１１】第２実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１２】第２実施例において、基板および凹部間の隙間の大きさと、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２２】
図１は、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を示す断面図である。
【００２３】
図１を参照して、ＭＯＣＶＤ装置１０は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板に化合物半導体膜を成膜するための装置である。ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応炉１１と、シャワーヘッド３１と、ＩＩＩ族系ガス供給源４１と、Ｖ族系ガス供給源４６と、マスフローコントローラ４２およびマスフローコントローラ４７と、冷却装置５１とを有する。
【００２４】
反応炉１１は、処理対象物である基板の気相成長面に化合物半導体結晶を成長させるための処理室１２を形成している。処理室１２は、反応炉１１内部の中空部により形成されている。
【００２５】
シャワーヘッド３１は、処理室１２に成膜に寄与する原料ガスを供給するためのガス供給部として設けられている。シャワーヘッド３１は、反応炉１１に接続されている。シャワーヘッド３１は、反応炉１１の天井部に配置されている。シャワーヘッド３１は、ガス導入部３２と、冷却部としての水冷部３３と、ガス吐出口形成部としてのプレート３４とから構成されている。
【００２６】
ＩＩＩ族系ガス供給源４１は、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスの供給源として設けられ、Ｖ族系ガス供給源４６は、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源として設けられている。ＩＩＩ族系ガス供給源４１は、ＩＩＩ族系ガス配管４３を介してガス導入部３２に接続され、Ｖ族系ガス供給源４６は、Ｖ族系ガス配管４８を介してガス導入部３２に接続されている。
【００２７】
ＩＩＩ族系ガス配管４３の管路上には、ＩＩＩ族系ガス供給源４１からガス導入部３２に対するＩＩＩ族系ガスの導入量を調節可能とする、ＩＩＩ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ４２が設けられている。Ｖ族系ガス配管４８の管路上には、Ｖ族系ガス供給源４６からガス導入部３２に対するＶ族系ガスの導入量を調節可能とする、Ｖ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ４７が設けられている。
【００２８】
ＩＩＩ族元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはＩｎ（インジウム）などがあり、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとして、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスの１種類以上が用いられる。また、Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとして、たとえば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスの１種類以上が用いられる。
【００２９】
冷却装置５１は、水冷系配管５２を介して水冷部３３に接続されている。水冷部３３には、水冷系配管５２を通じて冷却装置５１から冷却水が供給される。水冷部３３に供給された冷却水は、ガス導入部３２に導入された原料ガスを冷却し、原料ガスが高温となることを防止する。これにより、シャワーヘッド３１において原料ガスが反応して反応物が生じ、その反応物によって後述するガス吐出口４４およびガス吐出口４９が塞がれることを防止できる。
【００３０】
図２は、図１中のシャワーヘッドを構成するプレートを示す底面図である。図１および図２を参照して、プレート３４は、処理室１２に配置されている。プレート３４は、シャワーヘッド３１の底部に設けられている。
【００３１】
プレート３４には、複数のガス吐出口４４と、複数のガス吐出口４９とが形成されている。ガス吐出口４４およびガス吐出口４９は、処理室１２に開口している。
【００３２】
ＩＩＩ族系ガス供給源４１からガス導入部３２に導入されたＩＩＩ族系ガスは、複数のガス吐出口４４を通じて処理室１２に供給され、Ｖ族系ガス供給源４６からガス導入部３２に導入されたＶ族系ガスは、複数のガス吐出口４９を通じて処理室１２に供給される。処理室１２にＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスが均一に供給されるように、複数のガス吐出口４４と複数のガス吐出口４９とは、プレート３４の底面に平面的に散らばって配置されている。複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９は、後述するサセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置で開口している。
【００３３】
なお、図２中では、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９を互いに区別するため、ガス吐出口４４にハッチングが付されている。
【００３４】
図３は、図１中のサセプタを示す平面図である。図１から図３を参照して、ＭＯＣＶＤ装置１０は、サセプタ２１と、回転軸１３と、ヒータ１５と、被覆板（ヒータカバー）５８とをさらに有する。
【００３５】
サセプタ２１は、処理室１２において処理対象物である基板９０を支持するための基台として設けられている。サセプタ２１は、プレート３４と対向して配置されている。サセプタ２１は、図中に仮想線として示された中心線１０１を中心とする円盤形状を有する。サセプタ２１は、導電性材料、たとえばカーボンから形成されている。
【００３６】
サセプタ２１は、頂面２１ａを有する。頂面２１ａは、処理室１２に配置されている。頂面２１ａは、プレート３４と向かい合っている。頂面２１ａは、プレート３４に開口する複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９と向かい合っている。頂面２１ａは、複数のガス吐出口４４および複数のガス吐出口４９が開口するプレート３４の底面と平行に延在している。頂面２１ａは、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９から原料ガスが吐出される方向に直交する平面内で延在する。
【００３７】
ヒータ１５は、サセプタ２１に支持された基板を加熱するための加熱部として設けられている。サセプタ２１は、ヒータ１５上に設置されている。ヒータ１５は、サセプタ２１に対してシャワーヘッド３１の反対側に配置されている。
【００３８】
回転軸１３は、中心線１０１に沿って延伸し、サセプタ２１に接続されている。回転軸１３は、図示しないアクチュエータにより回転可能に設けられている。回転軸１３の回転に伴って、サセプタ２１は、中心線１０１を中心に図３中の矢印１１０に示す方向に回転する。サセプタ２１は、頂面２１ａがプレート３４と向かい合った姿勢を維持しながら回転する。
【００３９】
本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、サセプタ２１が、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する。サセプタ２１を高速回転させることにより、高速回転時に生じるせん断流れにより原料ガスが基板９０に引き寄せられるため、成膜に寄与する原料ガスの割合が向上する。また、基板９０の成膜面に生じる境界層の厚みの均一性が高まるため、境界層の厚みと反比例の関係にある膜厚の均一性が向上する。
【００４０】
被覆板５８は、中心線１０１を中心とする外周上で、サセプタ２１、回転軸１３およびヒータ１５を取り囲むように設けられている。
【００４１】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、ガス排気部５７およびガス処理装置５６をさらに有する。ガス排気部５７は、処理室１２の内部の原料ガスを外部に排気するために設けられている。ガス排気部５７は、反応炉１１に接続されている。ガス排気部５７は、サセプタ２１よりも外周側であって、かつ、シャワーヘッド３１側から見てサセプタ２１の頂面２１ａよりも遠い位置で、処理室１２に連通している。
【００４２】
ガス処理装置５６は、パージライン５５を介してガス排気部５７に接続されている。ガス処理装置５６は、パージライン５５を通じてガス排気部５７から送られた原料ガスを無害化するための処理を行なう。
【００４３】
図４は、図３中のサセプタを示す断面図である。図１から図４を参照して、サセプタ２１には、凹部２２が形成されている。本実施の形態では、サセプタ２１に複数の凹部２２が形成されている。
【００４４】
凹部２２は、頂面２１ａから凹む凹形状に形成されている。凹部２２は、中心線１０１から半径方向外側にずれた配置されている。複数の凹部２２は、中心線１０１を中心とする周方向において互いに間隔を隔てて配置されている。複数の凹部２２は、中心線１０１を中心とする周方向において等間隔に配置されている。本実施の形態では、４つの凹部２２が９０°間隔で配置されている。処理対象物である基板９０は、凹部２２に載置される。
【００４５】
頂面２１ａを正面から見た場合に、凹部２２は、基板９０に対応する形状である円形を有する。基板９０を凹部２２に載置可能なように、凹部２２は、基板９０よりも大きい形状を有する（基板９０の直径ｄ＜凹部２２の直径Ｄ）。一例を挙げると、直径１００ｍｍを有する基板９０に対して、凹部２２の直径を１０５ｍｍに設定する。基板９０は、凹部２２の略中心位置に載置される。基板９０を凹部２２に載置した状態で、凹部２２の内壁と基板９０のとの間には、隙間６１が形成される。
【００４６】
基板９０は、処理室１２において化合物半導体結晶が成長される気相成長面９０ａを有する。基板９０は、気相成長面９０ａとプレート３４とが対向するように凹部２２に載置される。気相成長面９０ａは、サセプタ２１の頂面２１ａと平行に延在する。本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、基板９０は、気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるように凹部２２に設置される。すなわち、基板９０の高さをｈとし、凹部２２の深さをＨとする場合に、基板９０は、ｈ＞Ｈの関係を満たすように凹部２２に配置される。
【００４７】
一例を挙げると、気相成長面９０ａが、サセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高い位置に配置されるように、凹部２２の深さが決定される。本実施の形態では、気相成長面９０ａと凹部２２との高さの差が、凹部２２の深さよりも小さい。
【００４８】
ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて基板９０に成膜する気相成長方法について説明すると、まず、サセプタ２１の凹部２２に基板９０を載置する。この際、基板９０と凹部２２の内壁との間に隙間６１が形成され、かつ、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるように、基板９０を凹部２２に載置する。次に、ヒータ１５の加熱によってサセプタ２１を介して基板９０を所定の温度まで加熱するとともに、サセプタ２１を、中心線１０１を中心に８００ｒｐｍ以上の速度で回転させる。
【００４９】
ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスを、それぞれ、ガス吐出口４４およびガス吐出口４９から処理室１２に供給する。この際、ＩＩＩ族系ガスおよびＶ族系ガスの導入量を、それぞれ、図示しない制御部から信号を受けたマスフローコントローラ４２およびマスフローコントローラ４７により制御する。
【００５０】
処理室１２に供給された原料ガスは、サセプタ２１の頂面２１ａに直交する方向に流れ、その後、各ガス吐出口４４，４９に対向する頂面２１ａ上の位置から、中心線１０１を中心とする半径方向外側に向けて流れる。原料ガスが加熱された基板９０上を通過する間、基板９０の気相成長面９０ａに、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。
【００５１】
続いて、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０およびＭＯＣＶＤ装置１０を用いた気相成長方法において奏される作用、効果について説明する。
【００５２】
図５は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、サセプタの断面を示す図である。図６は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。図中には、各断面位置に対応させて原料ガスの濃度および化合物半導体膜の膜厚の変化を示したグラフが示されている。
【００５３】
図５および図６を参照して、本比較例では、気相成長面９０ａとサセプタ２１の頂面２１ａとが同じ高さに配置されている。
【００５４】
図５中に示すように、原料ガスがサセプタ２１上で中心線１０１を中心とする半径方向外側に向けて流れる間、原料ガスの一部が成膜に寄与する一方で、各ガス吐出口４４，４９から供給された新たな原料ガスがサセプタ２１上の流れに加わっていく。このため、サセプタ２１上の各位置で原料ガスの濃度が一定に維持されつつ、サセプタ２１の頂面２１ａに一定の膜厚で成膜が施されることとなる。
【００５５】
図６中に示すように、基板９０と凹部２２の内壁との間には、隙間６１が形成される。原料ガスがこの隙間６１を通過する間、成膜による原料ガスの消費量が小さくなるため、原料ガスの濃度が、原料ガス流れの上流側に位置決めされた基板９０の端部（基板９０の上流側端部）で高くなる。この場合、その高濃度の原料ガスによって成膜された基板９０の上流側端部で、膜厚が局所的に大きくなる現象が生じる。
【００５６】
図７は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す別の図である。図中では、各断面位置に対応させて、サセプタ２１が高速回転する場合の原料ガスの濃度の変化がライン１２６によって示され、サセプタ２１が低速回転する場合の原料ガスの濃度の変化がライン１２７によって示されている。
【００５７】
図７を参照して、サセプタ２１が８００ｒｐｍ以上の速度で高速回転する場合（隙間６１に記載された曲線１２１）、サセプタ２１が低速回転する場合（隙間６１に記載された曲線１２２）と比較して、原料ガスは、頂面２１ａ上から気相成長面９０ａ上に向かう間に隙間６１の浅い範囲までしか拡散せず、その結果、気相成長面９０ａに到達する原料ガスの量が大きくなる。原料ガスの濃度と膜厚とは比例関係にあるため、特にサセプタ２１が８００ｒｐｍ以上の速度で高速回転する場合に、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象が顕著となる。
【００５８】
図８は、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示す図である。図中には、各断面位置に対応させて原料ガスの濃度および化合物半導体膜の膜厚の変化を示したグラフが示されている。
【００５９】
図８を参照して、これに対して、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０においては、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。このような構成によれば、サセプタ２１上を流れる原料ガスは、気相成長面９０ａに到達する前に基板９０の側面９０ｂと衝突することによって部分的に消費される。これにより、気相成長面９０ａに到達する原料ガスの濃度を適切に制御し、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象を回避することができる。
【００６０】
図９は、比較のためのＭＯＣＶＤ装置において、基板が載置されたサセプタの断面を示すさらに別の図である。図中では、各断面位置に対応させて、基板および凹部間の隙間の幅が小さい場合の原料ガスの濃度の変化がライン１４１によって示され、基板および凹部間の隙間の幅が大きい場合の原料ガスの濃度の変化がライン１４２によって示されている。
【００６１】
図９中に示すように、基板９０の凹部２２の内壁との間の隙間６１の幅が大きい場合、隙間６１の幅が小さい場合と比較して、基板９０の上流側端部における原料ガス濃度の上昇が大きくなる。基板９０の上流側端部における原料ガス濃度の上昇を抑えた上で、原料ガスと基板９０の側面９０ｂとの衝突により原料ガス濃度を適切に制御するという観点から、基板９０と凹部２２の内壁との間の隙間６１を、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍ（ｄ：基板９０の直径，Ｄ：凹部２２の直径）の関係を満たす幅に設定することが好ましい。
【００６２】
以上に説明した、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ装置１０は、基板９０が設置された処理室１２に原料ガスを供給することにより、基板９０の気相成長面９０ａに成膜する。ＭＯＣＶＤ装置１０は、処理室１２に配置される頂面２１ａを有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台としてのサセプタ２１と、サセプタ２１の頂面２１ａに向かい合う位置に複数のガス吐出口４４，４９を有し、複数のガス吐出口４４，４９を通じて処理室１２に原料ガスを供給するガス供給部としてのシャワーヘッド３１とを備える。サセプタ２１には、頂面２１ａから凹み、基板９０が載置される凹部２２が形成される。基板９０は、基板９０と凹部２２の内壁との間に隙間６１が形成されるように配置され、かつ、基板９０の気相成長面９０ａは、サセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置される。
【００６３】
このように構成された、この発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０によれば、基板９０の気相成長面９０ａがサセプタ２１の頂面２１ａよりも高い位置に配置されるため、基板９０の上流側端部で膜厚が局所的に大きくなる現象を回避できる。これにより、基板９０により均一な膜厚で化合物半導体膜を成膜することができる。
【００６４】
続いて、本実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１０によって奏される上記作用、効果を確認するため行なった実施例について説明する。
【００６５】
図１０は、第１実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【００６６】
図１０を参照して、本実施例では、ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、基板９０の気相成長面９０ａにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させた。この際、基板９０の直径ｄを１００ｍｍとし、凹部２２の直径Ｄを１０５ｍｍとし、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定した。化合物半導体膜の成長条件に関して、基板温度を１１００℃とし、成長圧力を１００Ｔｏｒｒとし、原料ガスの総流量を２０Ｌ／ｍｉｎとし、サセプタ２１の回転速度を８００ｒｐｍとした。原料ガスのキャリアガスとして、水素ガスを用いた。
【００６７】
成膜工程の後、基板９０に形成された化合物半導体膜の膜厚を、基板９０の上流側端部からの距離Ｘ（図４を参照のこと）ごとに測定し、その結果を図１０中に示した。Ｘ＝５０ｍｍのときが基板９０の中心である。また、比較のため、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａと同じ高さとした場合と、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ低く設定した場合とについても、同様の成膜工程および測定工程を実施し、その結果を図１０中に示した。
【００６８】
図１０中に示す結果から分かるように、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定した実施例では、他の２つの比較例と較べて、基板９０の上流側端部における化合物半導体膜の膜厚を小さく抑えることができた。
【００６９】
また、追加の実施例として、原料ガスのキャリアガスとして窒素ガスを用いた場合について上記の成膜工程および測定工程を実施した。その結果、キャリアガスとして水素ガスを用いた場合と窒素ガスを用いた場合とを比較すると、水素ガスを用いた場合に（キャリアガスとして窒素ガスを含まない場合）に、基板９０の上流側端部における化合物半導体膜の膜厚がより小さくなることを確認できた。
【００７０】
図１１は、第２実施例において、基板の上流側端部からの距離Ｘと、化合物半導体膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【００７１】
図１１を参照して、本実施例においても、第１実施例と同様の成長条件で基板９０に成膜工程を実施した。この際、基板９０の直径ｄを１００ｍｍとし、基板９０の気相成長面９０ａをサセプタ２１の頂面２１ａよりも０．２ｍｍ高く設定するとともに、凹部２２の直径Ｄを１０５ｍｍ（Ｂ＝（Ｄ−ｄ）＝５ｍｍ）、１０７．５ｍｍ（Ｂ＝７．５ｍｍ）、１１０ｍｍ（Ｂ＝１０ｍｍ）、１１１ｍｍ（Ｂ＝１１ｍｍ）、１１２ｍｍ（Ｂ＝１２ｍｍ）と変化させた。
【００７２】
図１２は、第２実施例において、基板および凹部間の隙間の大きさと、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みとの関係を示すグラフである。成膜工程の後、基板９０に形成された化合物半導体膜の膜厚を、基板９０の上流側端部からの距離Ｘごとに測定し、その結果を図１１中に示した。また、基板および凹部の直径の差Ｂを５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍとした場合の基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みを図１２中に示した。
【００７３】
図１１および図１２中に示す結果から分かるように、Ｂ≦１０ｍｍ、すなわち、基板９０と凹部２２の内壁との間の隙間６１が、Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たす幅に設定されている時に、基板の上流側端部における化合物半導体膜の厚みをより小さく抑えることができた。
【００７４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
この発明は、たとえば、縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置に適用される。
【符号の説明】
【００７６】
１０ ＭＯＣＶＤ装置、１１ 反応炉、１２ 処理室、１３ 回転軸、１５ ヒータ、２１ サセプタ、２１ａ 頂面、２２ 凹部、３１ シャワーヘッド、３２ ガス導入部、３３ 水冷部、３４ プレート、４１ ＩＩＩ族系ガス供給源、４２，４７マスフローコントローラ、４３ ＩＩＩ族系ガス配管、４４，４９ ガス吐出口、４６ Ｖ族系ガス供給源、４８ Ｖ族系ガス配管、５１ 冷却装置、５２ 水冷系配管、５５ パージライン、５６ ガス処理装置、５７ ガス排気部、５８ 被覆板、６１ 隙間、９０ 基板、９０ａ 気相成長面、９０ｂ 側面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長装置であって、
処理室に配置される頂面を有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台と、
前記頂面に向かい合う位置に複数のガス吐出口を有し、複数の前記ガス吐出口を通じて処理室に原料ガスを供給するガス供給部とを備え、
前記基台には、前記頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成され、
基板は、基板と前記凹部の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、前記頂面よりも高い位置に配置される、気相成長装置。
【請求項２】
前記凹部の直径をＤとし、基板の直径をｄとする場合に、前記凹部は、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たすように形成される、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記ガス供給部により供給される原料ガスは、キャリアガスとして窒素を含まない、請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長方法であって、
処理室に配置される頂面を有する基台に基板を設置する工程と、
前記基台を８００ｒｐｍ以上の速度で回転させるとともに、前記頂面に向かい合う位置から処理室に原料ガスを供給する工程とを備え、
前記基台には、前記頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成され、
前記基板を設置する工程は、基板と前記凹部の内壁との間に隙間が形成され、かつ、基板の気相成長面が前記頂面よりも高い位置に配置されるように、前記基台に基板を設置する工程を含む、気相成長方法。
【請求項１】
基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長装置であって、
処理室に配置される頂面を有し、８００ｒｐｍ以上の速度で回転する基台と、
前記頂面に向かい合う位置に複数のガス吐出口を有し、複数の前記ガス吐出口を通じて処理室に原料ガスを供給するガス供給部とを備え、
前記基台には、前記頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成され、
基板は、基板と前記凹部の内壁との間に隙間が形成されるように配置され、かつ、基板の気相成長面は、前記頂面よりも高い位置に配置される、気相成長装置。
【請求項２】
前記凹部の直径をＤとし、基板の直径をｄとする場合に、前記凹部は、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋１０ｍｍの関係を満たすように形成される、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記ガス供給部により供給される原料ガスは、キャリアガスとして窒素を含まない、請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
基板が設置された処理室に原料ガスを供給することにより、基板の気相成長面に成膜する気相成長方法であって、
処理室に配置される頂面を有する基台に基板を設置する工程と、
前記基台を８００ｒｐｍ以上の速度で回転させるとともに、前記頂面に向かい合う位置から処理室に原料ガスを供給する工程とを備え、
前記基台には、前記頂面から凹み、基板が載置される凹部が形成され、
前記基板を設置する工程は、基板と前記凹部の内壁との間に隙間が形成され、かつ、基板の気相成長面が前記頂面よりも高い位置に配置されるように、前記基台に基板を設置する工程を含む、気相成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４８８１８（Ｐ２０１２−２４８８１８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１９７７（Ｐ２０１１−１２１９７７）
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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