JP2013183075A - Vapor growth device - Google Patents
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Abstract
【目的】
結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性及びその再現性に優れ、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供する。
【解決手段】
基板を保持する基板保持部と、コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備えている。ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されている。
【選択図】図2【the purpose】
Provided is a vapor phase growth apparatus that is excellent in temperature controllability and reproducibility and can grow a high-quality crystal layer even when crystal growth is repeatedly performed.
[Solution]
A substrate holding unit that holds the substrate, a heater that is coated to heat the substrate holding unit, and a heater chamber that surrounds the heater and shields radiant heat from the heater are provided. The inner wall surface of the heater chamber facing the heater is provided with a coating having the same thermal emissivity as the heater coating.
[Selection] Figure 2
Description
半導体素子、例えば発光ダイオード(LED)、レーザーダイオード(LD)、電子デバイス等の産業分野で半導体単結晶成長方法としてMOCVD法等の気相成長が幅広く用いられている。MOCVD法を用いた成長装置には、基板の成長面に対して材料ガス流(ガスフロー)を垂直に流す方式(バーチカル方式)、水平に流す方式(ホリゾンタル方式)等があり、使用する材料ガスや目的デバイス等により適した方式が選択される。 Vapor phase growth such as MOCVD is widely used as a semiconductor single crystal growth method in industrial fields such as semiconductor elements such as light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LD), and electronic devices. The growth apparatus using the MOCVD method includes a method in which a material gas flow (gas flow) is flowed vertically (vertical method) and a method in which it is flowed horizontally (horizontal method) with respect to the growth surface of the substrate. A method suitable for the target device and the like is selected.
MOCVD成長に用いられる有機金属材料は、約350℃程度から加熱分解される。また有機金属材料ガスと水素化物ガスとを混合させる場合、有機金属材料の熱分解に誘導されて水素化物も容易に分解し、結晶を生成する。 The organometallic material used for MOCVD growth is thermally decomposed from about 350 ° C. Further, when the organometallic material gas and the hydride gas are mixed, the hydride is easily decomposed by the thermal decomposition of the organometallic material to generate crystals.
従来の、AlGaAs系半導体、AlGaInP系半導体を成長させるMOCVD装置においては、ヒーターからの輻射熱を遮断するために遮熱板やヒーター室隔壁で仕切り、熱輻射を抑えていた。結晶成長装置におけるサセプタの均熱化、加熱装置から逃げる熱(抜熱)については、例えば、特許文献1に記載されている。しかしながら、例えばGaN(窒化ガリウム)ベースのIII族窒化物半導体の結晶成長では、成長温度が1000℃程度又はそれ以上になり、上記したAlGaAs系半導体などの場合に比べて成長温度が200−300℃高く、輻射熱量が非常に大きい。
In a conventional MOCVD apparatus for growing an AlGaAs-based semiconductor or an AlGaInP-based semiconductor, heat radiation is suppressed by partitioning with a heat shield plate or a heater chamber partition in order to block radiant heat from the heater. For example,
また、従来のMOCVD装置では、ヒーター端子や回転導入器の保護、材料ガスのヒーター室への侵入防止のため、不活性ガス(窒素:N2)などをパージガスとしてヒーター室に導入することが行われている。また、GaN系半導体のMOCVD装置では、材料ガスとして用いられるNH3によりサセプタやヒーターに用いられるグラファイトが腐食される。従って、グラファイト表面は保護のために、SiCやPBN(Pyrolytic Boron Nitride)などでコーティングされているのが一般的である。 In addition, in the conventional MOCVD apparatus, an inert gas (nitrogen: N 2 ) or the like is introduced as a purge gas into the heater chamber in order to protect the heater terminal and the rotary introducer and prevent material gas from entering the heater chamber. It has been broken. In the GaN-based semiconductor MOCVD apparatus, NH 3 used as a material gas corrodes graphite used for a susceptor and a heater. Therefore, the graphite surface is generally coated with SiC, PBN (Pyrolytic Boron Nitride) or the like for protection.
腐食性ガスに対してヒーターの寿命を延ばすための工夫として、ヒーター部材やコーティング部材、腐食性ガスをヒーターに接触させない構造等について検討されている(例えば特許文献2、3)。
As a device for extending the life of the heater against the corrosive gas, a heater member, a coating member, a structure in which the corrosive gas is not brought into contact with the heater, and the like have been studied (for example,
上記したように、従来の成長装置においては、ヒーターは、腐食性ガスからの保護のためSiCなどでコーティングされているが、特に、GaN系半導体などの高温成長においては、コーティング材の周囲への飛散が激しい。飛散したコーティング材は、サセプタ裏面や遮熱板(例えば、BN)などのヒーター室内壁の表面に付着する。このようなコーティング材の付着によってサセプタ裏面、遮熱板などの熱放射率が変化し、制御温度を一定にしていても、サセプタ上に配置された基板の実温度(実温成長度)が変化することが分かった。 As described above, in the conventional growth apparatus, the heater is coated with SiC or the like for protection from the corrosive gas. However, particularly in high-temperature growth of a GaN-based semiconductor or the like, the heater is coated around the coating material. Scattering is intense. The scattered coating material adheres to the surface of the heater indoor wall such as the back surface of the susceptor and the heat shield (for example, BN). The adhesion of the coating material changes the thermal emissivity of the back surface of the susceptor, heat shield, etc., and the actual temperature (actual temperature growth rate) of the substrate placed on the susceptor changes even if the control temperature is constant. I found out that
上記した半導体素子を成長する場合、成長層の結晶組成、層厚、ドーピング濃度等を制御する上でサセプタ(基板)温度を正確に、また再現性良く制御する必要がある。特に発光ダイオード(LED)を成長する場合では、発光層の結晶組成によってバンドギャップが変化して、発光波長が変化する。 When growing the semiconductor device described above, it is necessary to control the susceptor (substrate) temperature accurately and with good reproducibility in controlling the crystal composition, layer thickness, doping concentration, and the like of the growth layer. In particular, when a light emitting diode (LED) is grown, the band gap changes depending on the crystal composition of the light emitting layer, and the emission wavelength changes.
しかし、上記したように、制御温度を一定に保っても、ヒーター周辺の熱放射率の変化により基板の実温度が変化し、LEDでは発光波長、内部量子効率、動作電圧などの再現性が低下し、特性の劣化、製造歩留まりの低下、コストアップを招来する問題がある。 However, as described above, even if the control temperature is kept constant, the actual temperature of the substrate changes due to the change in the thermal emissivity around the heater, and the reproducibility of the emission wavelength, internal quantum efficiency, operating voltage, etc. decreases in the LED However, there are problems that the characteristics are deteriorated, the manufacturing yield is reduced, and the cost is increased.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置内の熱放射率の変化を抑制し、初期の熱環境を長く維持できる、温度制御性及びその再現性に優れた気相成長装置を提供することにある。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and its purpose is to suppress the change of the thermal emissivity in the apparatus and to maintain the initial thermal environment for a long time, and is excellent in temperature controllability and reproducibility thereof. It is to provide a vapor phase growth apparatus. That is, an object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus capable of growing a high-quality crystal layer with high temperature controllability even when crystal growth is repeatedly performed.
本発明の気相成長装置は、
基板を保持する基板保持部と、
コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、
ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴としている。
The vapor phase growth apparatus of the present invention is
A substrate holder for holding the substrate;
A heater that is coated and heats the substrate holder;
A heater chamber that surrounds the heater and shields radiant heat from the heater;
The inner wall surface of the heater chamber facing the heater is provided with a coating having the same thermal emissivity as the heater coating.
以下に、水平方式の気相成長装置について図面を参照して詳細に説明する。以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 Hereinafter, a horizontal type vapor phase growth apparatus will be described in detail with reference to the drawings. In the following, preferred embodiments of the present invention will be described, but these may be appropriately modified and combined. In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.
図1は、本発明の結晶成長装置10の構成を模式的に示している。結晶成長装置10の装置構成について以下に詳細に説明する。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a
[装置構成]
図1は、ホリゾンタル方式の結晶成長装置(MOCVD装置)10の上面図(上段)及び断面図(下段)を示し、上面図は断面図における線V−Vに沿って基板側を見た場合の図である。図1に示すように、MOCVD装置10は、反応容器11、フローチャネル本体12、フローチャネル床板13、材料ガス供給ガイド15、フローチャネル排気管17、基板20を載置・保持する円柱形状のサセプタ(基板保持部)22、サセプタ22の裏面側に設けられ、サセプタ22を加熱する(すなわち基板20を加熱する)ヒーター24、回転シャフト29(基板回転機構)によってサセプタ22を回転させる(すなわち、基板20を回転させる)モーター25を有している。また、サセプタ22の裏面側には、成長温度の制御のため、サセプタ22の温度を測定する熱電対が設けられている。
[Device configuration]
FIG. 1 shows a top view (upper stage) and a cross-sectional view (lower stage) of a horizontal type crystal growth apparatus (MOCVD apparatus) 10, and the top view shows a case where the substrate side is viewed along line VV in the cross-sectional view. FIG. As shown in FIG. 1, the
フローチャネル本体12は天板、側壁、仕切り板12Aからなり、フローチャネル本体12、フローチャネル床板13及び材料ガス供給ガイド15からフローチャネル14A及びフローチャネル14Bを有するフローチャネル部(材料ガス供給部)が構成されている。フローチャネル床板13、材料ガス供給ガイド15、基板20及びサセプタ22の表面は同一水平面内であるように構成されている。基板20及びサセプタ22に近い側の(すなわち下層流の)フローチャネルであるフローチャネル14Aには、ガス供給管12Cを介して材料ガスが供給され、フローチャネル14Aの上層流のフローチャネルであるフローチャネル14Bにはガス供給管12Dを介してガスが供給される。
The
材料ガス供給ガイド15は、サセプタ22よりも材料ガスの上流側に配されている。材料ガス供給ガイド15の裏面側には、冷却ガス供給管16Aを介して冷却ガスを流す冷却ガス流路16が設けられ、材料ガス供給ガイド15が冷却される。
The material
また、MOCVD装置10には、ヒーター24の熱を遮断し、抜熱を防ぐための1枚又は複数枚の遮熱板から構成される遮熱部26、遮熱部26の外側にヒーター室27Rを画定するヒーター室隔壁27が備えられている。なお、以下においては、遮熱部26が複数枚の遮熱板から構成されている場合を例に説明する。ヒーター室隔壁27にはヒーター室ガス供給管27Aが接続され、ヒーター室27A内にパージガスが供給される。パージガスとしては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。また、反応容器11には反応容器パージガス供給管11Aが接続されており、反応容器内に拡散する材料ガス等を排気できるように、不活性ガス(N2等)を流せる構造となっている。ヒーター室隔壁27は、材料ガスの下流方向の一部に切り欠きがあり、ヒーター室パージガスと冷却ガスを排気できる構造を有している。
Further, the
なお、当該冷却ガスは、サセプタ22、ヒーター24、遮熱部26を腐食しないガスならば良い。具体的には、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等でよい。しかし、材料ガス供給ガイド15の冷却には、水素:窒素=0:1〜3:1の混合ガスが好ましい。
The cooling gas may be any gas that does not corrode the
図2は、ヒーター室27Rの周囲部分(図1において、破線で示す部分W)を拡大して示す断面図である。実施例1において、加熱部であるヒーター24の表面はSiC(炭化硅素)によってコーティング(被覆)されている。ヒーター24の側方及び下方に複数枚の遮熱板から構成されている遮熱部26が設けられている。そして、遮熱部26のうちヒーター24に面する遮熱板26F、回転シャフト(回転機構)29及びサセプタ22の裏面がヒーター24からの輻射熱を直接受け、加熱される。換言すれば、ヒーター24に面する遮熱板26F、回転シャフト29及びサセプタ22の裏面が、ヒーター室27Rの内壁を画定している。なお、ヒーター室27Rの内壁を画定するヒーター室27Rの構成要素はこれらに限らない。要は、ヒーター室27Rの構成要素のうちヒーター24に面する構成要素がヒーター室27Rの内壁を画定する。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion around the
実施例1において、ヒーター室27Rの内壁面のうちヒーター24に面する表面が、ヒーター24の表面のコーティング材と同一の材料(SiC)によってコーティングされている。すなわち、遮熱部26の遮熱板のうち、ヒーター24に面する遮熱板26Fの表面、回転シャフト29の表面、及びサセプタ22の裏面にSiCコーティングがなされている。より具体的には、遮熱板26Fがヒーター24に面する部分の表面には遮熱板コーティング26Cが設けられ、回転シャフト29がヒーター24に面する部分の表面にはコーティング29Cが設けられ、サセプタ22の裏面(底面)にはコーティング22Cが設けられている。
In Example 1, the surface facing the
なお、コーティングはSiCを30μmの膜厚で2回重ねて被覆した(合計膜厚:60μm)。コーティング膜厚は、コーティング材そのものの熱放射率を呈する厚膜(いわゆる、バルク)の熱放射率となる10μm以上が好ましい。また、厚すぎると熱膨張差で剥がれることがあるので、100μm以下が好ましい。 The coating was performed by coating SiC twice with a film thickness of 30 μm (total film thickness: 60 μm). The coating film thickness is preferably 10 μm or more, which is the thermal emissivity of a thick film (so-called bulk) that exhibits the thermal emissivity of the coating material itself. Moreover, since it may peel off with a thermal expansion difference when too thick, 100 micrometers or less are preferable.
また、ヒーター室の内壁面のコーティング材としてSiCを例に説明したが、ヒーターのコーティング材と同一の材料であれば、例えば、PBN、TaC、TiCなどを用いることができる。あるいは、異なるコーティング材を用いても、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するようなコーティングが施されていればよい。例えば、ヒーター室の内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングされていてもよい。 Further, although SiC has been described as an example of the coating material for the inner wall surface of the heater chamber, for example, PBN, TaC, TiC, or the like can be used as long as it is the same material as the coating material for the heater. Or even if it uses a different coating material, the coating which has the same thermal emissivity as the coating of a heater should just be given. For example, the coating film thickness may be adjusted with respect to the base material of the inner wall of the heater chamber so as to have the same thermal emissivity.
[結晶成長]
実施例1のMOCVD装置10を用いて結晶成長を行い、評価を行った。また、ヒーター室27Rの内面にコーティングを行っていない点を除いて実施例1のMOCVD装置と同じ構成を有するMOCVD装置を比較例として結晶成長を行った。より詳細には、比較例のMOCVD装置において、遮熱板及び回転機構はSiCコーティングがなされておらず、それらの基材であるBN(窒化ほう素)が表面に露出していた。
[Crystal growth]
Crystal growth was performed using the
図3は、実施例1及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。なお、実施例1及び比較例のMOCVD装置を用いた結晶成長は全て同じ手順、条件で実施した。以下にその結晶成長の手順、条件等を説明する。 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the growth layer of Example 1 and the comparative example. In addition, all the crystal growth using the MOCVD apparatus of Example 1 and a comparative example was implemented on the same procedure and conditions. The crystal growth procedure and conditions will be described below.
具体的には、下記の有機金属化合物材料ガスと水素化物材料ガスを用いて、次の手順でGaN結晶を成長した。成長基板20には円形(2インチ)のc面サファイア(α−アルミナ)基板を用いた。有機金属材料ガスとしてはTMG(トリメチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、水素化物ガスとしてはNH3(アンモニア)、SiH4(モノシラン)を用いた。
Specifically, a GaN crystal was grown by the following procedure using the following organometallic compound material gas and hydride material gas. A circular (2 inch) c-plane sapphire (α-alumina) substrate was used as the
有機金属材料ガスと水素化物ガスは、水素及び窒素を混合したキャリアガスと合わせて10L/minの総流量で供給管12Cから供給した。また、ガス供給管12Dからは水素及び窒素を混合したキャリアガスを30L/minの流量で供給した。
The organometallic material gas and the hydride gas were supplied from the
まず、基板20の熱処理を行った。ガス供給管12Cから水素ガスを6L/min、ガス供給管12Dから水素:窒素=1:1の混合ガスを30L/minの流量で流し、サセプタ22の温度を1000℃にし、サファイア基板20を10分間アニールした。
First, the
次に、サセプタ22(すなわち、基板20)の温度を530℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG及びNH3をガス供給管12Cから供給し、サファイア基板20上に低温成長GaN層41を30nmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。次に、サセプタ22の温度を1050℃とし、低温成長GaN層41を10分間アニールした。
Next, the temperature of the susceptor 22 (that is, the substrate 20) is set to 530 ° C., the carrier gas is hydrogen, TMG and NH 3 are supplied as material gases from the
次に、サセプタ22の温度を1030℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG、NH3及びSiH4をガス供給管12Cから供給し、低温成長GaN層41上にn型GaN層42を6μmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
Next, the temperature of the
次に、量子井戸構造の発光層43を成長した。より詳細には、サセプタ22の温度を760℃にし、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてTMG及びNH3を供給してバリア層としてGaN層を8nmの層厚で成長した。次に、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてTMG、TMI及びNH3を供給して井戸層としてInGaN層を3nmの層厚で成長した。上記手順でバリア層及び井戸層を交互に各6層成長した後、バリア層を成長して、発光層43を成長した。なお、バリア層及び井戸層の成長においては、ガス供給管12Dからはキャリアガスとして窒素のみを30L/min供給した。
Next, a
次に、サセプタ22の温度を900℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMA、TMG、NH3及びCp2Mgをガス供給管12Cから供給し、発光層43上にp型AlGaN層44を30nmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
Next, the temperature of the
次に、サセプタ22の温度を900℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG、NH3及びCp2Mgをガス供給管12Cから供給し、p型AlGaN層44上にp型GaN層45を100nmの層厚で成長した。
Next, the temperature of the
[成長時の基板表面温度]
成長基板20の上方に設置した放射温度計によって成長中の基板表面温度を測定した。実施例1のMOCVD装置及び比較例のMOCVD装置を用いた場合の温度測定結果の経時変化を併せて図4及び図5に示す。すなわち、横軸は成長回数を示し、縦軸は装置の使用開始時(成長回数が1回目)の温度を基準としたときの温度変化(℃)を示している。また、図4はn型GaN層42の成長時の表面温度の測定結果であり、図5は発光層43(InGaN)の成長時の表面温度の測定結果である。なお、ウエハ面内での表面温度の平均値を示している。
[Substrate surface temperature during growth]
The substrate surface temperature during growth was measured by a radiation thermometer installed above the
比較例のMOCVD装置を用いた場合では、使用初期(30〜40回程度)において、GaNの成長では最大40℃(図4)、InGaNの成長では最大20℃ほど(図5)、表面温度が低下した。これに対し、実施例1のMOCVD装置を用いた場合では、700〜800回の成長を行っても、±5℃程度の範囲に温度変化が収まっている。 In the case of using the MOCVD apparatus of the comparative example, in the initial stage of use (about 30 to 40 times), the maximum surface temperature is 40 ° C. (FIG. 4) for GaN growth and about 20 ° C. (FIG. 5) for InGaN growth. Declined. On the other hand, when the MOCVD apparatus of Example 1 is used, the temperature change is within a range of about ± 5 ° C. even if the growth is performed 700 to 800 times.
温度がずれた状態でGaNの成長を行うと、成長層の表面モフォロジが変化し、GaN層上に成長する発光層の結晶品質に悪影響を与える。例えば、発光波長、光出力−電流特性(L−I)特性、順方向電圧(Vf)等の電気的特性が変化する。また、40℃も温度がずれた状態で成長を行うと、表面にピットが形成され、電流リークの原因になったり、逆にヒロックと呼ばれる構造物(突起)ができると、素子化プロセスにおいてマスク等の密着性の悪化によって製造歩留まりの低下を招く。また、InGaNの成長において、温度のずれは組成に直接影響する。例えば、発光層のIn組成がずれ、発光波長が大きくずれるという問題を生じさせる。 When GaN is grown in a state where the temperature is deviated, the surface morphology of the growth layer changes, which adversely affects the crystal quality of the light emitting layer grown on the GaN layer. For example, electrical characteristics such as emission wavelength, light output-current characteristic (LI) characteristic, and forward voltage (Vf) change. If growth is performed at a temperature shifted by 40 ° C., pits are formed on the surface, causing current leakage, or conversely, a structure (protrusion) called hillock is formed. The production yield decreases due to the deterioration of the adhesiveness. Further, in the growth of InGaN, the temperature shift directly affects the composition. For example, the problem is that the In composition of the light emitting layer is shifted and the emission wavelength is greatly shifted.
比較例のMOCVD装置では、BN製の遮熱板の表面やサセプタ裏面にヒーターのコーティング材であるSiCが飛散し、付着したことで遮熱板内壁やサセプタ裏面からの熱の放射率が低下したものと考えられる。熱の放射率が変化すると、放熱経路が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化したものと考えられる。 In the MOCVD apparatus of the comparative example, SiC as a heater coating material was scattered and adhered to the surface of the heat shield plate made of BN and the back surface of the susceptor, and the emissivity of heat from the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor decreased. It is considered a thing. When the emissivity of heat changes, the heat dissipation path changes, and it is considered that the actual growth temperature of the substrate disposed on the susceptor has greatly changed even at the same control temperature.
これに対し、実施例1のMOCVD装置によれば、遮熱板内壁やサセプタ裏面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされているため、コーティング材が付着しても熱放射率は変化せず、装置の使用開始時(又はメンテナンス直後)の熱放射状態を維持でき、実成長温度の経時変化を防ぐことができることが分かった。 On the other hand, according to the MOCVD apparatus of Example 1, since the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor are coated with the same material as the coating material of the heater, the thermal emissivity does not change even if the coating material adheres. Therefore, it was found that the heat radiation state at the start of use of the apparatus (or immediately after the maintenance) can be maintained, and the change in the actual growth temperature with time can be prevented.
ところで、サセプタの温度制御は、一般的にサセプタ内部に設置した熱電対によって行われる。成長温度の再現性という点ではできる限り成長基板に近い位置が望ましいが、実際には成長基板の回転や搬送を実現するために成長基板に接する位置に熱電対を設置するのは難しい。従って、熱電対は成長基板から距離を置いて設置され、その位置の温度を制御することになる。なお、成長基板上の温度を放射温度計によって測定して制御することも考えられるが、反応室内には材料ガスの反応生成物が堆積するため、汚れ方はヒーター周りの比ではなく、透明な石英部品を通して基板温度を観測しようとしても、石英部品が直ぐに汚れてしまい、正確な測定は難しい。こまめにメンテナンスを行うことにしても、メンテナンス頻度が高くなると結晶成長ウエハの製造スループットが低下し、コストの上昇要因となる。 By the way, the temperature control of the susceptor is generally performed by a thermocouple installed inside the susceptor. In view of the reproducibility of the growth temperature, a position as close as possible to the growth substrate is desirable, but in practice, it is difficult to install a thermocouple at a position in contact with the growth substrate in order to realize rotation and conveyance of the growth substrate. Therefore, the thermocouple is placed at a distance from the growth substrate, and the temperature at that position is controlled. Although it is conceivable to control the temperature on the growth substrate by measuring with a radiation thermometer, since the reaction product of the material gas accumulates in the reaction chamber, the contamination is not a ratio around the heater, but is transparent. Even if the temperature of the substrate is observed through the quartz part, the quartz part is immediately contaminated, and accurate measurement is difficult. Even if maintenance is performed frequently, if the maintenance frequency increases, the production throughput of the crystal growth wafer decreases, which causes an increase in cost.
MOCVD装置では、熱の移動において輻射の影響が大きい。特に、窒化ガリウム(GaN)系半導体の成長温度は、1,000℃程度と高温であるため、ヒーター周囲の構成部品による輻射の影響は非常に大きい。具体的には、ヒーターで発生した熱は、基板方向のみならず、輻射により四方へ散逸する。この際、ヒーター周囲の部品の熱放射率が変化すると、輻射による熱散逸が変化し、成長基板方向に伝わる熱の比率が変化する。熱源から成長基板までの距離と熱伝導率は一定で、成長基板方向に伝わる熱量が変化すれば、熱源と成長基板との間の温度差もそれに伴い変化する。 In the MOCVD apparatus, the influence of radiation is large in heat transfer. In particular, the growth temperature of gallium nitride (GaN) -based semiconductors is as high as about 1,000 ° C., so the influence of radiation by components around the heater is very large. Specifically, the heat generated by the heater is dissipated not only in the direction of the substrate but also in all directions due to radiation. At this time, if the thermal emissivity of the components around the heater changes, the heat dissipation due to radiation changes, and the ratio of the heat transmitted to the growth substrate changes. If the distance from the heat source to the growth substrate and the thermal conductivity are constant and the amount of heat transmitted in the direction of the growth substrate changes, the temperature difference between the heat source and the growth substrate also changes accordingly.
上記したように、MOCVD成長、特に、例えばGaN系結晶の成長においては、成長温度が1,000℃程度と高温であり、ヒーターを腐食性ガスから保護するためのSiC等のコーティング材の飛散が顕著であり、ヒーターに面するヒーター室内壁面への付着が激しい。すると、コーティング材が付着した遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁面からの熱の放射率が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化する。 As described above, in MOCVD growth, particularly, for example, growth of GaN-based crystals, the growth temperature is as high as about 1,000 ° C., and the scattering of coating materials such as SiC for protecting the heater from corrosive gas is remarkable. Yes, it adheres to the heater room wall facing the heater. Then, the emissivity of heat from the wall surface of the heater room such as the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor to which the coating material is attached changes, and the actual growth temperature of the substrate disposed on the susceptor changes greatly even at the same control temperature.
本発明によれば、ヒーターに面する部材の表面、すなわちサセプタの下面を含み、ヒーターに面するヒーター室の内壁表面は、ヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている。従って、ヒーターからヒーターのコーティング材が飛散して、ヒーター室の内壁表面に付着しても内壁表面の熱放射率は変化せず、装置の使用開始時又はメンテナンス直後の熱放射率が変化せず、実成長温度の経時変化を防ぐことができる。従って、装置のメンテナンス頻度を低減できるとともに、再現性の高い気相成長装置を提供することができる。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても温度制御性が高く、従って、半導体層の組成、層厚、ドーピング濃度等の制御性、再現性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することができる。 According to the present invention, the surface of the member facing the heater, ie, the lower surface of the susceptor, and the inner wall surface of the heater chamber facing the heater are coated with the same material as the coating material of the heater. Therefore, even if the heater coating material scatters from the heater and adheres to the inner wall surface of the heater chamber, the thermal emissivity of the inner wall surface does not change, and the thermal emissivity at the start of use of the device or immediately after maintenance does not change. In addition, changes in the actual growth temperature with time can be prevented. Therefore, the maintenance frequency of the apparatus can be reduced and a highly reproducible vapor phase growth apparatus can be provided. In other words, even when crystal growth is repeatedly performed, the temperature controllability is high, and therefore the controllability and reproducibility of the semiconductor layer composition, layer thickness, doping concentration, etc. are high, and vapor phase growth capable of growing a high-quality crystal layer. An apparatus can be provided.
なお、遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁表面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている場合について説明したが、これに限らず、異なるコーティング材を用いてもよい。例えば、ヒーター室の内壁面の熱放射率はコーティング膜厚やヒーター室の内壁の基材で異なるが、内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングしてもよい。 In addition, although the case where the heater indoor wall surface such as the inner wall of the heat shield plate or the back surface of the susceptor is coated with the same material as the heater coating material has been described, the present invention is not limited thereto, and a different coating material may be used. For example, the thermal emissivity of the inner wall surface of the heater chamber varies depending on the coating film thickness and the base material of the inner wall of the heater chamber, but the coating film thickness is adjusted for the base material of the inner wall so as to have the same thermal emissivity. It may be coated.
なお、上記した実施例においては、フローチャネル方式のMOCVD装置を例に説明したが、これに限らず、2フロー方式等のMOCVD装置にも適用できる。また、バーチカル方式のMOCVD装置、その他の気相成長装置にも適用することができる。 In the above-described embodiments, the flow channel type MOCVD apparatus has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a two-flow type MOCVD apparatus. Further, the present invention can be applied to a vertical MOCVD apparatus and other vapor phase growth apparatuses.
10 気相成長装置
20 基板
22 サセプタ
24 ヒーター
26 遮熱部
26F 遮熱板
29 回転機構
22C、26C、29C コーティング
DESCRIPTION OF
本発明は、気相成長装置、特に、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)装置に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and more particularly to a MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus.
半導体素子、例えば発光ダイオード(LED)、レーザーダイオード(LD)、電子デバイス等の産業分野で半導体単結晶成長方法としてMOCVD法等の気相成長が幅広く用いられている。MOCVD法を用いた成長装置には、基板の成長面に対して材料ガス流(ガスフロー)を垂直に流す方式(バーチカル方式)、水平に流す方式(ホリゾンタル方式)等があり、使用する材料ガスや目的デバイス等により適した方式が選択される。 Vapor phase growth such as MOCVD is widely used as a semiconductor single crystal growth method in industrial fields such as semiconductor elements such as light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LD), and electronic devices. The growth apparatus using the MOCVD method includes a method in which a material gas flow (gas flow) is flowed vertically (vertical method) and a method in which it is flowed horizontally (horizontal method) with respect to the growth surface of the substrate. A method suitable for the target device and the like is selected.
MOCVD成長に用いられる有機金属材料は、約350℃程度から加熱分解される。また有機金属材料ガスと水素化物ガスとを混合させる場合、有機金属材料の熱分解に誘導されて水素化物も容易に分解し、結晶を生成する。 The organometallic material used for MOCVD growth is thermally decomposed from about 350 ° C. Further, when the organometallic material gas and the hydride gas are mixed, the hydride is easily decomposed by the thermal decomposition of the organometallic material to generate crystals.
従来の、AlGaAs系半導体、AlGaInP系半導体を成長させるMOCVD装置においては、ヒーターからの輻射熱を遮断するために遮熱板やヒーター室隔壁で仕切り、熱輻射を抑えていた。結晶成長装置におけるサセプタの均熱化、加熱装置から逃げる熱(抜熱)については、例えば、特許文献1に記載されている。しかしながら、例えばGaN(窒化ガリウム)ベースのIII族窒化物半導体の結晶成長では、成長温度が1000℃程度又はそれ以上になり、上記したAlGaAs系半導体などの場合に比べて成長温度が200−300℃高く、輻射熱量が非常に大きい。
In a conventional MOCVD apparatus for growing an AlGaAs-based semiconductor or an AlGaInP-based semiconductor, heat radiation is suppressed by partitioning with a heat shield plate or a heater chamber partition in order to block radiant heat from the heater. For example,
また、従来のMOCVD装置では、ヒーター端子や回転導入器の保護、材料ガスのヒーター室への侵入防止のため、不活性ガス(窒素:N2)などをパージガスとしてヒーター室に導入することが行われている。また、GaN系半導体のMOCVD装置では、材料ガスとして用いられるNH3によりサセプタやヒーターに用いられるグラファイトが腐食される。従って、グラファイト表面は保護のために、SiCやPBN(Pyrolytic Boron Nitride)などでコーティングされているのが一般的である。 In addition, in the conventional MOCVD apparatus, an inert gas (nitrogen: N 2 ) or the like is introduced as a purge gas into the heater chamber in order to protect the heater terminal and the rotary introducer and prevent material gas from entering the heater chamber. It has been broken. In the GaN-based semiconductor MOCVD apparatus, NH 3 used as a material gas corrodes graphite used for a susceptor and a heater. Therefore, the graphite surface is generally coated with SiC, PBN (Pyrolytic Boron Nitride) or the like for protection.
腐食性ガスに対してヒーターの寿命を延ばすための工夫として、ヒーター部材やコーティング部材、腐食性ガスをヒーターに接触させない構造等について検討されている(例えば特許文献2、3)。
As a device for extending the life of the heater against the corrosive gas, a heater member, a coating member, a structure in which the corrosive gas is not brought into contact with the heater, and the like have been studied (for example,
上記したように、従来の成長装置においては、ヒーターは、腐食性ガスからの保護のためSiCなどでコーティングされているが、特に、GaN系半導体などの高温成長においては、コーティング材の周囲への飛散が激しい。飛散したコーティング材は、サセプタ裏面や遮熱板(例えば、BN)などのヒーター室内壁の表面に付着する。このようなコーティング材の付着によってサセプタ裏面、遮熱板などの熱放射率が変化し、制御温度を一定にしていても、サセプタ上に配置された基板の実温度(実温成長度)が変化することが分かった。 As described above, in the conventional growth apparatus, the heater is coated with SiC or the like for protection from the corrosive gas. However, particularly in high-temperature growth of a GaN-based semiconductor or the like, the heater is coated around the coating material. Scattering is intense. The scattered coating material adheres to the surface of the heater indoor wall such as the back surface of the susceptor and the heat shield (for example, BN). The adhesion of the coating material changes the thermal emissivity of the back surface of the susceptor, heat shield, etc., and the actual temperature (actual temperature growth rate) of the substrate placed on the susceptor changes even if the control temperature is constant. I found out that
上記した半導体素子を成長する場合、成長層の結晶組成、層厚、ドーピング濃度等を制御する上でサセプタ(基板)温度を正確に、また再現性良く制御する必要がある。特に発光ダイオード(LED)を成長する場合では、発光層の結晶組成によってバンドギャップが変化して、発光波長が変化する。 When growing the semiconductor device described above, it is necessary to control the susceptor (substrate) temperature accurately and with good reproducibility in controlling the crystal composition, layer thickness, doping concentration, and the like of the growth layer. In particular, when a light emitting diode (LED) is grown, the band gap changes depending on the crystal composition of the light emitting layer, and the emission wavelength changes.
しかし、上記したように、制御温度を一定に保っても、ヒーター周辺の熱放射率の変化により基板の実温度が変化し、LEDでは発光波長、内部量子効率、動作電圧などの再現性が低下し、特性の劣化、製造歩留まりの低下、コストアップを招来する問題がある。 However, as described above, even if the control temperature is kept constant, the actual temperature of the substrate changes due to the change in the thermal emissivity around the heater, and the reproducibility of the emission wavelength, internal quantum efficiency, operating voltage, etc. decreases in the LED However, there are problems that the characteristics are deteriorated, the manufacturing yield is reduced, and the cost is increased.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置内の熱放射率の変化を抑制し、初期の熱環境を長く維持できる、温度制御性及びその再現性に優れた気相成長装置を提供することにある。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and its purpose is to suppress the change of the thermal emissivity in the apparatus and to maintain the initial thermal environment for a long time, and is excellent in temperature controllability and reproducibility thereof. It is to provide a vapor phase growth apparatus. That is, an object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus capable of growing a high-quality crystal layer with high temperature controllability even when crystal growth is repeatedly performed.
本発明の気相成長装置は、
基板を保持する基板保持部と、
コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、
ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴としている。
The vapor phase growth apparatus of the present invention is
A substrate holder for holding the substrate;
A heater that is coated and heats the substrate holder;
A heater chamber that surrounds the heater and shields radiant heat from the heater;
The inner wall surface of the heater chamber facing the heater is provided with a coating having the same thermal emissivity as the heater coating.
以下に、水平方式の気相成長装置について図面を参照して詳細に説明する。以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 Hereinafter, a horizontal type vapor phase growth apparatus will be described in detail with reference to the drawings. In the following, preferred embodiments of the present invention will be described, but these may be appropriately modified and combined. In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.
図1は、本発明の結晶成長装置10の構成を模式的に示している。結晶成長装置10の装置構成について以下に詳細に説明する。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a
[装置構成]
図1は、ホリゾンタル方式の結晶成長装置(MOCVD装置)10の上面図(上段)及び断面図(下段)を示し、上面図は断面図における線V−Vに沿って基板側を見た場合の図である。図1に示すように、MOCVD装置10は、反応容器11、フローチャネル本体12、フローチャネル床板13、材料ガス供給ガイド15、フローチャネル排気管17、基板20を載置・保持する円柱形状のサセプタ(基板保持部)22、サセプタ22の裏面側に設けられ、サセプタ22を加熱する(すなわち基板20を加熱する)ヒーター24、回転シャフト29(基板回転機構)によってサセプタ22を回転させる(すなわち、基板20を回転させる)モーター25を有している。また、サセプタ22の裏面側には、成長温度の制御のため、サセプタ22の温度を測定する熱電対が設けられている。
[Device configuration]
FIG. 1 shows a top view (upper stage) and a cross-sectional view (lower stage) of a horizontal type crystal growth apparatus (MOCVD apparatus) 10, and the top view shows a case where the substrate side is viewed along line VV in the cross-sectional view. FIG. As shown in FIG. 1, the
フローチャネル本体12は天板、側壁、仕切り板12Aからなり、フローチャネル本体12、フローチャネル床板13及び材料ガス供給ガイド15からフローチャネル14A及びフローチャネル14Bを有するフローチャネル部(材料ガス供給部)が構成されている。フローチャネル床板13、材料ガス供給ガイド15、基板20及びサセプタ22の表面は同一水平面内であるように構成されている。基板20及びサセプタ22に近い側の(すなわち下層流の)フローチャネルであるフローチャネル14Aには、ガス供給管12Cを介して材料ガスが供給され、フローチャネル14Aの上層流のフローチャネルであるフローチャネル14Bにはガス供給管12Dを介してガスが供給される。
The
材料ガス供給ガイド15は、サセプタ22よりも材料ガスの上流側に配されている。材料ガス供給ガイド15の裏面側には、冷却ガス供給管16Aを介して冷却ガスを流す冷却ガス流路16が設けられ、材料ガス供給ガイド15が冷却される。
The material
また、MOCVD装置10には、ヒーター24の熱を遮断し、抜熱を防ぐための1枚又は複数枚の遮熱板から構成される遮熱部26、遮熱部26の外側にヒーター室27Rを画定するヒーター室隔壁27が備えられている。なお、以下においては、遮熱部26が複数枚の遮熱板から構成されている場合を例に説明する。ヒーター室隔壁27にはヒーター室ガス供給管27Aが接続され、ヒーター室27A内にパージガスが供給される。パージガスとしては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。また、反応容器11には反応容器パージガス供給管11Aが接続されており、反応容器内に拡散する材料ガス等を排気できるように、不活性ガス(N2等)を流せる構造となっている。ヒーター室隔壁27は、材料ガスの下流方向の一部に切り欠きがあり、ヒーター室パージガスと冷却ガスを排気できる構造を有している。
Further, the
なお、当該冷却ガスは、サセプタ22、ヒーター24、遮熱部26を腐食しないガスならば良い。具体的には、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等でよい。しかし、材料ガス供給ガイド15の冷却には、水素:窒素=0:1〜3:1の混合ガスが好ましい。
The cooling gas may be any gas that does not corrode the
図2は、ヒーター室27Rの周囲部分(図1において、破線で示す部分W)を拡大して示す断面図である。実施例1において、加熱部であるヒーター24の表面はSiC(炭化硅素)によってコーティング(被覆)されている。ヒーター24の側方及び下方に複数枚の遮熱板から構成されている遮熱部26が設けられている。そして、遮熱部26のうちヒーター24に面する遮熱板26F、回転シャフト(回転機構)29及びサセプタ22の裏面がヒーター24からの輻射熱を直接受け、加熱される。換言すれば、ヒーター24に面する遮熱板26F、回転シャフト29及びサセプタ22の裏面が、ヒーター室27Rの内壁を画定している。なお、ヒーター室27Rの内壁を画定するヒーター室27Rの構成要素はこれらに限らない。要は、ヒーター室27Rの構成要素のうちヒーター24に面する構成要素がヒーター室27Rの内壁を画定する。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion around the
実施例1において、ヒーター室27Rの内壁面のうちヒーター24に面する表面が、ヒーター24の表面のコーティング材と同一の材料(SiC)によってコーティングされている。すなわち、遮熱部26の遮熱板のうち、ヒーター24に面する遮熱板26Fの表面、回転シャフト29の表面、及びサセプタ22の裏面にSiCコーティングがなされている。より具体的には、遮熱板26Fがヒーター24に面する部分の表面には遮熱板コーティング26Cが設けられ、回転シャフト29がヒーター24に面する部分の表面にはコーティング29Cが設けられ、サセプタ22の裏面(底面)にはコーティング22Cが設けられている。
In Example 1, the surface facing the
なお、コーティングはSiCを30μmの膜厚で2回重ねて被覆した(合計膜厚:60μm)。コーティング膜厚は、コーティング材そのものの熱放射率を呈する厚膜(いわゆる、バルク)の熱放射率となる10μm以上が好ましい。また、厚すぎると熱膨張差で剥がれることがあるので、100μm以下が好ましい。 The coating was performed by coating SiC twice with a film thickness of 30 μm (total film thickness: 60 μm). The coating film thickness is preferably 10 μm or more, which is the thermal emissivity of a thick film (so-called bulk) that exhibits the thermal emissivity of the coating material itself. Moreover, since it may peel off with a thermal expansion difference when too thick, 100 micrometers or less are preferable.
また、ヒーター室の内壁面のコーティング材としてSiCを例に説明したが、ヒーターのコーティング材と同一の材料であれば、例えば、PBN、TaC、TiCなどを用いることができる。あるいは、異なるコーティング材を用いても、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するようなコーティングが施されていればよい。例えば、ヒーター室の内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングされていてもよい。 Further, although SiC has been described as an example of the coating material for the inner wall surface of the heater chamber, for example, PBN, TaC, TiC, or the like can be used as long as it is the same material as the coating material for the heater. Or even if it uses a different coating material, the coating which has the same thermal emissivity as the coating of a heater should just be given. For example, the coating film thickness may be adjusted with respect to the base material of the inner wall of the heater chamber so as to have the same thermal emissivity.
[結晶成長]
実施例1のMOCVD装置10を用いて結晶成長を行い、評価を行った。また、ヒーター室27Rの内面にコーティングを行っていない点を除いて実施例1のMOCVD装置と同じ構成を有するMOCVD装置を比較例として結晶成長を行った。より詳細には、比較例のMOCVD装置において、遮熱板及び回転機構はSiCコーティングがなされておらず、それらの基材であるBN(窒化ほう素)が表面に露出していた。
[Crystal growth]
Crystal growth was performed using the
図3は、実施例1及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。なお、実施例1及び比較例のMOCVD装置を用いた結晶成長は全て同じ手順、条件で実施した。以下にその結晶成長の手順、条件等を説明する。 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the growth layer of Example 1 and the comparative example. In addition, all the crystal growth using the MOCVD apparatus of Example 1 and a comparative example was implemented on the same procedure and conditions. The crystal growth procedure and conditions will be described below.
具体的には、下記の有機金属化合物材料ガスと水素化物材料ガスを用いて、次の手順でGaN結晶を成長した。成長基板20には円形(2インチ)のc面サファイア(α−アルミナ)基板を用いた。有機金属材料ガスとしてはTMG(トリメチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、水素化物ガスとしてはNH3(アンモニア)、SiH4(モノシラン)を用いた。
Specifically, a GaN crystal was grown by the following procedure using the following organometallic compound material gas and hydride material gas. A circular (2 inch) c-plane sapphire (α-alumina) substrate was used as the
有機金属材料ガスと水素化物ガスは、水素及び窒素を混合したキャリアガスと合わせて10L/minの総流量で供給管12Cから供給した。また、ガス供給管12Dからは水素及び窒素を混合したキャリアガスを30L/minの流量で供給した。
The organometallic material gas and the hydride gas were supplied from the
まず、基板20の熱処理を行った。ガス供給管12Cから水素ガスを6L/min、ガス供給管12Dから水素:窒素=1:1の混合ガスを30L/minの流量で流し、サセプタ22の温度を1000℃にし、サファイア基板20を10分間アニールした。
First, the
次に、サセプタ22(すなわち、基板20)の温度を530℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG及びNH3をガス供給管12Cから供給し、サファイア基板20上に低温成長GaN層41を30nmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。次に、サセプタ22の温度を1050℃とし、低温成長GaN層41を10分間アニールした。
Next, the temperature of the susceptor 22 (that is, the substrate 20) is set to 530 ° C., the carrier gas is hydrogen, TMG and NH 3 are supplied as material gases from the
次に、サセプタ22の温度を1030℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG、NH3及びSiH4をガス供給管12Cから供給し、低温成長GaN層41上にn型GaN層42を6μmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
Next, the temperature of the
次に、量子井戸構造の発光層43を成長した。より詳細には、サセプタ22の温度を760℃にし、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてTMG及びNH3を供給してバリア層としてGaN層を8nmの層厚で成長した。次に、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてTMG、TMI及びNH3を供給して井戸層としてInGaN層を3nmの層厚で成長した。上記手順でバリア層及び井戸層を交互に各6層成長した後、バリア層を成長して、発光層43を成長した。なお、バリア層及び井戸層の成長においては、ガス供給管12Dからはキャリアガスとして窒素のみを30L/min供給した。
Next, a
次に、サセプタ22の温度を900℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMA、TMG、NH3及びCp2Mgをガス供給管12Cから供給し、発光層43上にp型AlGaN層44を30nmの層厚で成長した。なお、ガス供給管12Dからは水素を15L/min及び窒素を15L/minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
Next, the temperature of the
次に、サセプタ22の温度を900℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてTMG、NH3及びCp2Mgをガス供給管12Cから供給し、p型AlGaN層44上にp型GaN層45を100nmの層厚で成長した。
Next, the temperature of the
[成長時の基板表面温度]
成長基板20の上方に設置した放射温度計によって成長中の基板表面温度を測定した。実施例1のMOCVD装置及び比較例のMOCVD装置を用いた場合の温度測定結果の経時変化を併せて図4及び図5に示す。すなわち、横軸は成長回数を示し、縦軸は装置の使用開始時(成長回数が1回目)の温度を基準としたときの温度変化(℃)を示している。また、図4はn型GaN層42の成長時の表面温度の測定結果であり、図5は発光層43(InGaN)の成長時の表面温度の測定結果である。なお、ウエハ面内での表面温度の平均値を示している。
[Substrate surface temperature during growth]
The substrate surface temperature during growth was measured by a radiation thermometer installed above the
比較例のMOCVD装置を用いた場合では、使用初期(30〜40回程度)において、GaNの成長では最大40℃(図4)、InGaNの成長では最大20℃ほど(図5)、表面温度が低下した。これに対し、実施例1のMOCVD装置を用いた場合では、700〜800回の成長を行っても、±5℃程度の範囲に温度変化が収まっている。 In the case of using the MOCVD apparatus of the comparative example, in the initial stage of use (about 30 to 40 times), the maximum surface temperature is 40 ° C. (FIG. 4) for GaN growth and about 20 ° C. (FIG. 5) for InGaN growth. Declined. On the other hand, when the MOCVD apparatus of Example 1 is used, the temperature change is within a range of about ± 5 ° C. even if the growth is performed 700 to 800 times.
温度がずれた状態でGaNの成長を行うと、成長層の表面モフォロジが変化し、GaN層上に成長する発光層の結晶品質に悪影響を与える。例えば、発光波長、光出力−電流特性(L−I)特性、順方向電圧(Vf)等の電気的特性が変化する。また、40℃も温度がずれた状態で成長を行うと、表面にピットが形成され、電流リークの原因になったり、逆にヒロックと呼ばれる構造物(突起)ができると、素子化プロセスにおいてマスク等の密着性の悪化によって製造歩留まりの低下を招く。また、InGaNの成長において、温度のずれは組成に直接影響する。例えば、発光層のIn組成がずれ、発光波長が大きくずれるという問題を生じさせる。 When GaN is grown in a state where the temperature is deviated, the surface morphology of the growth layer changes, which adversely affects the crystal quality of the light emitting layer grown on the GaN layer. For example, electrical characteristics such as emission wavelength, light output-current characteristic (LI) characteristic, and forward voltage (Vf) change. If growth is performed at a temperature shifted by 40 ° C., pits are formed on the surface, causing current leakage, or conversely, a structure (protrusion) called hillock is formed. The production yield decreases due to the deterioration of the adhesiveness. Further, in the growth of InGaN, the temperature shift directly affects the composition. For example, the problem is that the In composition of the light emitting layer is shifted and the emission wavelength is greatly shifted.
比較例のMOCVD装置では、BN製の遮熱板の表面やサセプタ裏面にヒーターのコーティング材であるSiCが飛散し、付着したことで遮熱板内壁やサセプタ裏面からの熱の放射率が低下したものと考えられる。熱の放射率が変化すると、放熱経路が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化したものと考えられる。 In the MOCVD apparatus of the comparative example, SiC as a heater coating material was scattered and adhered to the surface of the heat shield plate made of BN and the back surface of the susceptor, and the emissivity of heat from the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor decreased. It is considered a thing. When the emissivity of heat changes, the heat dissipation path changes, and it is considered that the actual growth temperature of the substrate disposed on the susceptor has greatly changed even at the same control temperature.
これに対し、実施例1のMOCVD装置によれば、遮熱板内壁やサセプタ裏面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされているため、コーティング材が付着しても熱放射率は変化せず、装置の使用開始時(又はメンテナンス直後)の熱放射状態を維持でき、実成長温度の経時変化を防ぐことができることが分かった。 On the other hand, according to the MOCVD apparatus of Example 1, since the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor are coated with the same material as the coating material of the heater, the thermal emissivity does not change even if the coating material adheres. Therefore, it was found that the heat radiation state at the start of use of the apparatus (or immediately after the maintenance) can be maintained, and the change in the actual growth temperature with time can be prevented.
ところで、サセプタの温度制御は、一般的にサセプタ内部に設置した熱電対によって行われる。成長温度の再現性という点ではできる限り成長基板に近い位置が望ましいが、実際には成長基板の回転や搬送を実現するために成長基板に接する位置に熱電対を設置するのは難しい。従って、熱電対は成長基板から距離を置いて設置され、その位置の温度を制御することになる。なお、成長基板上の温度を放射温度計によって測定して制御することも考えられるが、反応室内には材料ガスの反応生成物が堆積するため、汚れ方はヒーター周りの比ではなく、透明な石英部品を通して基板温度を観測しようとしても、石英部品が直ぐに汚れてしまい、正確な測定は難しい。こまめにメンテナンスを行うことにしても、メンテナンス頻度が高くなると結晶成長ウエハの製造スループットが低下し、コストの上昇要因となる。 By the way, the temperature control of the susceptor is generally performed by a thermocouple installed inside the susceptor. In view of the reproducibility of the growth temperature, a position as close as possible to the growth substrate is desirable, but in practice, it is difficult to install a thermocouple at a position in contact with the growth substrate in order to realize rotation and conveyance of the growth substrate. Therefore, the thermocouple is placed at a distance from the growth substrate, and the temperature at that position is controlled. Although it is conceivable to control the temperature on the growth substrate by measuring with a radiation thermometer, since the reaction product of the material gas accumulates in the reaction chamber, the contamination is not a ratio around the heater, but is transparent. Even if the temperature of the substrate is observed through the quartz part, the quartz part is immediately contaminated, and accurate measurement is difficult. Even if maintenance is performed frequently, if the maintenance frequency increases, the production throughput of the crystal growth wafer decreases, which causes an increase in cost.
MOCVD装置では、熱の移動において輻射の影響が大きい。特に、窒化ガリウム(GaN)系半導体の成長温度は、1,000℃程度と高温であるため、ヒーター周囲の構成部品による輻射の影響は非常に大きい。具体的には、ヒーターで発生した熱は、基板方向のみならず、輻射により四方へ散逸する。この際、ヒーター周囲の部品の熱放射率が変化すると、輻射による熱散逸が変化し、成長基板方向に伝わる熱の比率が変化する。熱源から成長基板までの距離と熱伝導率は一定で、成長基板方向に伝わる熱量が変化すれば、熱源と成長基板との間の温度差もそれに伴い変化する。 In the MOCVD apparatus, the influence of radiation is large in heat transfer. In particular, the growth temperature of gallium nitride (GaN) -based semiconductors is as high as about 1,000 ° C., so the influence of radiation by components around the heater is very large. Specifically, the heat generated by the heater is dissipated not only in the direction of the substrate but also in all directions due to radiation. At this time, if the thermal emissivity of the components around the heater changes, the heat dissipation due to radiation changes, and the ratio of the heat transmitted to the growth substrate changes. If the distance from the heat source to the growth substrate and the thermal conductivity are constant and the amount of heat transmitted in the direction of the growth substrate changes, the temperature difference between the heat source and the growth substrate also changes accordingly.
上記したように、MOCVD成長、特に、例えばGaN系結晶の成長においては、成長温度が1,000℃程度と高温であり、ヒーターを腐食性ガスから保護するためのSiC等のコーティング材の飛散が顕著であり、ヒーターに面するヒーター室内壁面への付着が激しい。すると、コーティング材が付着した遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁面からの熱の放射率が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化する。 As described above, in MOCVD growth, particularly, for example, growth of GaN-based crystals, the growth temperature is as high as about 1,000 ° C., and the scattering of coating materials such as SiC for protecting the heater from corrosive gas is remarkable. Yes, it adheres to the heater room wall facing the heater. Then, the emissivity of heat from the wall surface of the heater room such as the inner wall of the heat shield plate and the back surface of the susceptor to which the coating material is attached changes, and the actual growth temperature of the substrate disposed on the susceptor changes greatly even at the same control temperature.
本発明によれば、ヒーターに面する部材の表面、すなわちサセプタの下面を含み、ヒーターに面するヒーター室の内壁表面は、ヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている。従って、ヒーターからヒーターのコーティング材が飛散して、ヒーター室の内壁表面に付着しても内壁表面の熱放射率は変化せず、装置の使用開始時又はメンテナンス直後の熱放射率が変化せず、実成長温度の経時変化を防ぐことができる。従って、装置のメンテナンス頻度を低減できるとともに、再現性の高い気相成長装置を提供することができる。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても温度制御性が高く、従って、半導体層の組成、層厚、ドーピング濃度等の制御性、再現性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することができる。 According to the present invention, the surface of the member facing the heater, ie, the lower surface of the susceptor, and the inner wall surface of the heater chamber facing the heater are coated with the same material as the coating material of the heater. Therefore, even if the heater coating material scatters from the heater and adheres to the inner wall surface of the heater chamber, the thermal emissivity of the inner wall surface does not change, and the thermal emissivity at the start of use of the device or immediately after maintenance does not change. In addition, changes in the actual growth temperature with time can be prevented. Therefore, the maintenance frequency of the apparatus can be reduced and a highly reproducible vapor phase growth apparatus can be provided. In other words, even when crystal growth is repeatedly performed, the temperature controllability is high, and therefore the controllability and reproducibility of the semiconductor layer composition, layer thickness, doping concentration, etc. are high, and vapor phase growth capable of growing a high-quality crystal layer. An apparatus can be provided.
なお、遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁表面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている場合について説明したが、これに限らず、異なるコーティング材を用いてもよい。例えば、ヒーター室の内壁面の熱放射率はコーティング膜厚やヒーター室の内壁の基材で異なるが、内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングしてもよい。 In addition, although the case where the heater indoor wall surface such as the inner wall of the heat shield plate or the back surface of the susceptor is coated with the same material as the heater coating material has been described, the present invention is not limited thereto, and a different coating material may be used. For example, the thermal emissivity of the inner wall surface of the heater chamber varies depending on the coating film thickness and the base material of the inner wall of the heater chamber, but the coating film thickness is adjusted for the base material of the inner wall so as to have the same thermal emissivity. It may be coated.
なお、上記した実施例においては、フローチャネル方式のMOCVD装置を例に説明したが、これに限らず、2フロー方式等のMOCVD装置にも適用できる。また、バーチカル方式のMOCVD装置、その他の気相成長装置にも適用することができる。 In the above-described embodiments, the flow channel type MOCVD apparatus has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a two-flow type MOCVD apparatus. Further, the present invention can be applied to a vertical MOCVD apparatus and other vapor phase growth apparatuses.
10 気相成長装置
20 基板
22 サセプタ
24 ヒーター
26 遮熱部
26F 遮熱板
29 回転機構
22C、26C、29C コーティング
DESCRIPTION OF
Claims (5)
コーティングが施され、前記基板保持部を加熱するヒーターと、
前記ヒーターを囲み、前記ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
前記ヒーターに面する前記ヒーター室の内壁表面には、前記ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴とする気相成長装置。 A substrate holder for holding the substrate;
A heater that is coated and heats the substrate holder;
A heater chamber that surrounds the heater and shields radiant heat from the heater;
A vapor phase growth apparatus characterized in that the inner wall surface of the heater chamber facing the heater is provided with a coating having the same thermal emissivity as the coating of the heater.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104213103A (en) * | 2014-09-24 | 2014-12-17 | 深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司 | A kind of thermal insulation device for MOCVD reaction chamber |
| KR20180031796A (en) * | 2015-08-17 | 2018-03-28 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | A heating source for spatially atomic layer deposition |
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2012
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104213103A (en) * | 2014-09-24 | 2014-12-17 | 深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司 | A kind of thermal insulation device for MOCVD reaction chamber |
| KR20180031796A (en) * | 2015-08-17 | 2018-03-28 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | A heating source for spatially atomic layer deposition |
| JP2018533201A (en) * | 2015-08-17 | 2018-11-08 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated | Heating source for spatial atomic layer deposition |
| JP6991962B2 (en) | 2015-08-17 | 2022-01-13 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Heat source for spatial atomic layer deposition |
| KR102796880B1 (en) * | 2015-08-17 | 2025-04-15 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | Heating source for spatial atomic layer deposition |
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