JP2006310702A - 基板支持方法および半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜面に均一な厚さで結晶を成長させることができる基板支持方法を提供する。
【解決手段】 成膜面２８が下側を向くように基板１１を支持するためのサセプタ２を備える横型の気相成長装置の基板支持方法であって、基板１１の外周の縁に、段差部２１を形成する。サセプタ２に、段差部２１と係合して基板１１を支持するための基板支持部９を形成する。段差部２１および基板支持部９を、基板１１の成膜面２８とサセプタ２の下面２０とが略同一平面状になるように形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板支持方法および半導体基板に関する。特に、表面に気相成長を行なう気相成長装置に用いる基板支持方法および表面に気相成長を行なう半導体基板に関する。

基板の表面に気相成長法によって薄膜を形成する気相成長装置は、さまざまな装置の製造工程で用いられている。たとえば、半導体装置の製造工程には、半導体などの薄膜を基板の表面に成長させる工程が含まれる。たとえば、半導体レーザ素子などの化合物半導体装置を製造する工程には、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）が用いられている。この製造工程においては、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、またはＧａＮ系などの化合物半導体層が成膜される。

気相成長法を行なうための気相成長装置には、縦型の気相成長装置と横型の気相成長装置とが含まれる。縦型の気相成長装置においては、基板の成膜面に対して、垂直な方向から原料ガスが吹き付けられて、成膜が行なわれる。横型の気相成長装置においては、基板の成膜面に対して、平行な方向に原料ガスが流されて、成膜が行なわれる。横型の気相成長装置は、基板の成膜面が上側を向く装置と、基板の成膜面が下側を向く装置とが含まれる。

図１１に、横型の気相成長装置のうち、基板の成膜面が下側を向く装置の概略断面図を示す。横型の気相成長装置は、反応管３０を備える。反応管３０の上部には、基板１５を支持するためのサセプタ２が配置されている。反応管３０の下部には、原料ガスが流れるための原料ガス流路１６が形成されている。原料ガス流路１６は、矢印３１および矢印３２に示すように、反応ガスを流すことができるように形成されている。

サセプタ２は、基板支持部９を含む。基板１５は、外周部分が基板支持部９に支持される。基板支持部９は、たとえば、セラミック、またはカーボンなどを用いて形成されている。基板支持部９は、強度を確保するため、１ｍｍ程度の厚さが必要である。サセプタ２は、保持軸６を介してモータ４に接続されている。サセプタ２の上部には、ヒータが配置されている。

ヒータ３が投入されることにより、サセプタ２および基板１５が加熱される。この状態で、モータ４を駆動することにより、サセプタ２および基板１５が回転する。原料ガス流路１６に、原料ガスが供給される。原料ガスが基板１５の成膜面で高温になり、分解されて反応することにより、基板１５の成膜面に成膜される。

特開平６−２８３４４４号公報においては、カーボン製サセプタの開口端面に、サセプタとは別体で厚さの薄いモリブデン製の爪が数ヶ所取付けられた気相成長装置が開示されている。この爪は、基板の外周部を支えて、成膜面となる基板表面を下にして保持する。この気相成長装置においては、基板表面とサセプタ端面とが面一となるように保持されることが開示されている。この気相成長装置によれば、基板表面とサセプタ表面との段差をなくして、段差に起因する膜厚分布のばらつきを改善できると開示されている。

また、特開２００４−２５３４１３号公報においては、基板が挿通可能な貫通穴が形成されたサセプタと、基板の下面と並行なサセプタの下面に、Ｌ字状の基板を保持する爪部材とを有する化合物半導体気相成長装置が開示されている。この化合物半導体気相成長装置によれば、サセプタに結晶が堆積することにより発生する基板の成膜面の下における原料ガスの流れの不均一性を抑制して、基板に形成される膜厚の均一性を向上させることができると開示されている。

特開２００２−３４３７２７号公報においては、結晶成長装置の処理空間に基板を配置する工程とともに、基板の外側にドーナツ状のダミー基板を配置する工程を含む半導体デバイスの製造方法が開示されている。この製造方法によれば、基板の周縁においても中央部分と同様に均質な結晶成長を形成することができると開示されている。
特開平６−２８３４４４号公報 特開２００４−２５３４１３号公報 特開２００２−３４３７２７号公報

図１１を参照して、横型の気相成長装置においては、原料ガス流路１６に供給された原料ガスはサセプタに到達するまでに、原料ガス流路の内部で整流されて一定の流速で進行する。

サセプタ２の基板支持部９は、基板１５の内側に向かって突出するように形成されている。基板１５は、この基板支持部９の上面に載置されている。前述のとおり、基板支持部９は、強度を確保するために所定の厚さが必要である。このため、基板支持部９を含むサセプタ２の下面と基板１５の成膜面（下面）との間に段差が生じる。この段差において、原料ガスの流れが乱れてしまい、成膜される膜厚が不均一になるという問題があった。

また、図１１に示すように、基板１５の成膜面と原料ガス流路１６の上面とがほぼ同じ高さになるようにサセプタ２を配置した場合には、原料ガス流路１６の上面に対してサセプタ２が飛び出すために段差が生じる。この段差によっても、原料ガスの流れに乱れが生じる。この場合においても、原料ガスが基板の成膜面を通過するまでにガスの乱れは修復されず、成膜される膜厚が不均一になるという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、成膜面に均一な厚さで結晶を成長させることができる基板支持方法および半導体基板を提供することを目的とする。

本発明に基づく基板支持方法は、成膜面が下側を向くように基板を支持するためのサセプタを備える横型の気相成長装置の基板支持方法であって、上記基板の外周の縁に、段差部、突出部および凹部のうち、いずれかを含むように第１係合手段を形成する。上記サセプタに、上記第１係合手段と係合して上記基板を支持するための第２係合手段を形成する。上記第１係合手段および上記第２係合手段を、上記基板の上記成膜面と上記サセプタの下面とが略同一平面状になるように形成する。

上記発明において好ましくは、上記基板の上記成膜面と上記サセプタの上記下面との段差が０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように上記第１係合手段および上記第２係合手段を形成して行なう。

上記発明において好ましくは、上記外周の縁に沿って、上記外周の縁の全体に亘って上記段差部を形成する。

本発明に基づく半導体基板は、成膜面に気相成長を行なうために、上記成膜面が下側に向かって気相成長装置に配置される半導体基板であって、外周の縁に、第１係合手段が形成されている。上記第１係合手段は、段差部、突出部および凹部のうちいずれかを含む。上記第１係合手段は、上記気相成長装置のサセプタに形成された第２係合手段と係合して支持されるように形成されている。上記第１係合手段は、上記成膜面と上記サセプタの下面とが略同一平面状になるように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記第１係合手段は、上記基板支持部に配置されたときに、上記成膜面と上記サセプタの下面との段差が０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように形成されている。

本発明によれば、成膜面に均一な厚さで結晶を成長させることができる基板支持方法および半導体基板を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図６を参照して、本発明に基づく実施の形態１における基板支持方法および半導体基板について説明する。

図１に、本実施の形態における気相成長装置に、基板を配置したときの主要部の概略断面図を示す。本実施の形態における気相成長装置は、横型の気相成長装置である。また、本実施の形態における気相成長装置においては、成膜面が下側を向くように基板が支持される。

本実施の形態における気相成長装置は、上部領域４１と下部領域４２とを有する。上部領域４１には、基板１１を支持するためのサセプタ２が配置されている。サセプタ２は、セラミック、またはカーボンなどで形成されている。サセプタ２は円柱状に形成されている。サセプタ２の中央部には、開口部１９が形成されている。開口部１９は円柱状に形成されている。基板１１は、開口部１９に配置されている。基板１１は、基板支持部９に支持される。

サセプタ２において、開口部１９の上部には、ヒータ３が配置されている。ヒータ３は、サセプタ２および配置される基板１１を加熱できるように形成されている。サセプタ２は、保持軸６を介してモータ４に接続されている。サセプタ２は、モータ４が駆動することにより、保持軸６を回転軸として回転可能に形成されている。

反応管１の下部領域４２には、原料ガス流路１７が形成されている。原料ガス流路１７は、水平方向に延びるように形成されている。原料ガス流路１７は、直線状に形成されている。原料ガス流路１７は、サセプタ２の下面２０が原料ガス流路１７の内部に露出するように形成されている。原料ガス流路１７には、開口部２５が形成されている。サセプタ２は、開口部２５に配置されている。本実施の形態における原料ガス流路１７の上面１８は、平面状に形成されている。原料ガス流路１７の上面１８とサセプタ２の下面２０とは、ほぼ同一平面状（同一平面に含まれるよう）に形成されている。

原料ガス流路１７は、導入口７および排気口８を含む。気相成長を行なうための原料ガスは、矢印３１に示すように導入口７から導入され、矢印３２に示すように排気口８から排気される。

図２に、本実施の形態におけるサセプタの部分の拡大概略断面図を示す。図３に、本実施の形態におけるサセプタの部分の下面図を示す。本実施の形態におけるサセプタ２は、基板１１を下側から支持するように形成されている。

図４に、本実施の形態における基板を下側から見たときの斜視図を示す。本実施の形態における基板は、表面に有機金属を形成するための半導体基板である。基板１１は、平面形状が円形になるように形成されている。基板１１は、外側の円周の縁に沿って、段差部２１を有する。段差部２１は、成膜面２８を取囲むように形成されている。段差部２１は、第１係合手段として形成されている。本実施の形態においては、１段の段差が形成されている。

基板１１は、成膜面２８を有する。成膜面２８は平面状である。段差部２１は、成膜面２８とほぼ平行な面を有し、この面がサセプタ２の基板支持部９に支持される。

図２を参照して、サセプタ２は、基板１１の段差部２１と係合して、基板を支持するための第２係合手段として基板支持部９を含む。基板支持部９は、サセプタ２の下部において、開口部１９から内側に向かって飛び出すように形成されている。基板支持部９は、基板１１の外周部を支持するように形成されている。

基板支持部９は、板状に形成されている。基板支持部９は、基板１１の平面形状に沿って、平面形状が円形になるように形成されている。基板支持部９は、円環状に形成されている。基板支持部９は、サセプタ２に一体的に形成されている。基板支持部９の下面は、サセプタ２の下面２０に含まれる。サセプタ２の下面２０は、平面状に形成されている。

基板１１の段差部２１は、基板１１の成膜面２８と基板支持部９の下面とがほぼ同一平面状になるように形成されている。本実施の形態においては、成膜面２８とサセプタ２の下面２０とが同一平面状になるように形成されている。ここで、基板支持部９の厚さをＬ１とする。成膜面２８と段差部２１の成膜面２８に平行な面との長さをＬ２とする。本実施の形態においては、長さ（Ｌ１−Ｌ２）が、０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように形成されている。すなわち、基板の成膜面２８とサセプタ２の下面２０との段差が、０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように形成されている。基板１１の成膜面２８は、サセプタ２の下面２０から僅かに引っ込んでいてもよい。

図２および図３を参照して、成膜面２８の径ｄ２は、サセプタ２の基板支持部９の内径である径ｄ３よりも小さくなるように形成されている。また、径ｄ２は、成膜面２８と反対側の表面の径ｄ１よりも小さくなるように形成されている。

図１および図２を参照して、サセプタ２の開口部１９に基板１１を配置する。このときに、成膜面２８が下側になるように基板１１を配置する。成膜面２８が原料ガス流路１７の内部に露出するように基板１１を配置する。

次に、ヒータ３を投入して、サセプタ２および基板１１を加熱する。次に、モータ４を駆動することにより、サセプタ２および基板１１を回転させる。サセプタ２および基板１１は、保持軸６を回転軸として回転する。

この状態で、矢印３１に示すように、原料ガス流路１７の導入口７から原料ガスを導入する。原料ガスは、原料ガス流路１７に沿って進行する。原料ガス流路１７の開口部２５の部分においても、サセプタ２の下面２０と原料ガス流路１７の上面１８とが同一平面状に配置されているため、原料ガスの流れが乱れることを抑制でき、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

さらに、サセプタ２の下面２０と基板１１の成膜面２８とがほぼ同一平面状であるため、基板支持部９と基板１１との境界において、原料ガスの流れが乱れることを抑制できる。したがって、基板１１の成膜面２８に均一な結晶成長を行なうことができる。

このように本実施の形態においては、原料ガス流路１７の上面１８、サセプタ２の下面２０、および基板１１の成膜面２８が、ほぼ同一平面状であるため、より均一な成膜を行なうことができる。

特に、基板１１の成膜面２８とサセプタ２の下面２０との段差が、０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように基板１１の段差部２１またはサセプタ２の基板支持部９を形成することにより、より効果的に、原料ガスの乱れを抑制して均一な成膜を行なうことができる。

また、図４を参照して、本実施の形態における基板は、外周の縁に沿って段差部が形成されている。この構成を採用することにより、容易に本発明における基板支持方法を行なうことができる。

次に、図５および図６を参照して、原料ガスの流路の内部に、突起状の構造物が配置されたときの原料ガスの流れの乱れを測定した試験結果について説明する。試験においては、ＰＩＶ（粒子画像流速計：Particle Image Velocimetry）測定器により流速の分布を測定した。ＰＩＶ測定器は、気体の流れに粒子を浮遊させて粒子の移動距離を計測することにより、それぞれの点における気体の速度を測定する装置である。この試験においては、ガス流路の内部に導入する気体として空気を用いた。また、速度を測定するための粒子として油粒子を用いた。油粒子の移動距離を求めることにより、空気の流速分布を求めた。

図５に、第１の試験結果の分布図を示す。第１の試験においては、平面形状がほぼ正方形の突起構造物２９をガス流路の内部に配置した。突起構造物２９の一辺の長さは、６ｍｍである。突起構造物２９の厚さは、１ｍｍである。

図５に、突起構造物２９よりも下流側の流速分布を示している。空気は、矢印３３に示す向きに流される。この図においては、突起構造物２９の下流側における突起構造物２９からの距離と等速線を示している。空気は、突起構造物２９に到達するまでは、ほぼ等速の速度で流れている。

図５に示すように、突起構造物２９の影響により、空気の流れの速度は、突起構造物２９からいずれの距離において不均一になっている。たとえば、突起構造物２９からの距離が２０ｍｍになっても、空気の流速分布は乱れたままである。

図６に、第２の試験結果の分布図を示す。第２の試験においては、突起構造物を取り除いて試験を行なった。空気は、矢印３４に示す向きに流される。図６に示すように、空気の流速分布はほぼ一様である。たとえば、横軸の距離５ｍｍの点においても、空気流はほぼ等速である。このように、突起構造物がガス流路の内部に配置されることにより、ガスの流れに乱れが生じることがわかる。

本実施の形態の試験においては、厚さが１ｍｍの突起構造物を用いたが、たとえば、厚さを０．２ｍｍまで薄くした突起構造物であっても同様の結果が得られる。特開平６−２８３４４４号公報における方法において、爪の高さを０．２ｍｍにした場合でも同様である。直径が３インチのウェハの成膜を行ったとき、平面形状の円の中心から１０ｍｍまでの領域と、この領域の外側の領域とを比較すると、外側の領域の方が膜厚のばらつきが大きい。これは、爪がガス流路の内部に突出している影響であると考えられる。

このように、ガス流路の内部に突出する部分があると膜厚が不均一になる。しかし、本実施の形態における基板支持方法および半導体基板においては、原料ガス流路の内部に突出する部分は存在せずに、膜厚の均一な成膜を行なうことができる。

本実施の形態における半導体基板の段差部は、１段になるように形成されているが、この形態に限られず、段差が２段以上になるように半導体基板が形成されていても構わない。

本実施の形態においては、基板として半導体基板が用いられているが、この形態に限られず、表面に気相成長を行なう任意の材質の基板を用いることができる。

（実施の形態２）
図７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における基板支持方法および半導体基板について説明する。

図７は、本実施の形態における半導体基板を下側から見たときの斜視図である。基板１２は、外周の縁から飛び出すように形成された突出部２２を有する。突出部２２は、第１係合手段として形成されている。本実施の形態においては、基板１２の外周に４個の突出部２２が形成されている。突出部２２は、基板１２を平面的に見たときに、周方向に沿ってほぼ９０°毎に配置されている。突出部２２は、成膜面２８と反対側に形成されている。

互いに対向する突出部２２同士の径ｄ１および成膜面２８の径ｄ２は、実施の形態１における径ｄ１，ｄ２とほぼ同じである。また、突出部２２の表面と成膜面２８との間の長さＬ３は、実施の形態１における基板の長さＬ２と同じである（図２および図３参照）。さらに、基板１２が配置される気相成長装置およびこれに備えられるサセプタの構成については、実施の形態１と同様である。

基板１２は、サセプタに配置される。サセプタの基板支持部と基板１２の突出部２２とが係合して、基板１２が基板支持部に支持される。基板１２の突出部２２は、サセプタの下面と成膜面２８とがほぼ同一平面状になるように形成されている。したがって、本実施の形態においても、導入される原料ガスの流れの乱れを抑制して、成膜面２８に均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

本実施の形態においては、平面視したときに周方向に沿って９０°毎に突出部が形成されているが、この形態に限られず、任意の個数および任意の間隔で突出部が形成されていても構わない。また、突出部の形状に制限はなく、任意の形状を採用することができる。

その他の方法、構成、作用および効果については実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

（実施の形態３）
図８から図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態３における基板支持方法および半導体基板について説明する。

図８は、本実施の形態における基板を下側から見たときの概略斜視図である。基板１３は、外周の縁に沿って形成された凹部２３を有する。凹部２３は、第１係合手段として形成されている。凹部２３は、成膜面２８に形成されている。凹部２３は、外周の縁から内側に向かって形成されている。

凹部２３は、基板１３を平面視したときに、外周の周方向に沿って、９０°毎に形成されている。本実施の形態においては、４個の凹部２３が形成されている。凹部２３の深さになる長さＬ４は、後述する基板支持部の厚さとほぼ同じになるように形成されている。

図９に、本実施の形態における基板をサセプタに配置したときの概略断面図を示す。図１０に、本実施の形態における基板をサセプタに配置したときの下面図を示す。

本実施の形態における気相成長装置のサセプタ５は、基板支持部１０を含む。基板支持部１０は、第２係合手段として形成されている。本実施の形態における基板支持部１０は、サセプタ５の下部に形成されている。基板支持部１０は、サセプタ５に形成された開口部２６の内側面から内側に向かって飛び出すように形成されている。基板支持部１０の下面は、サセプタ５の下面２４に含まれる。

基板支持部１０は、板状に形成されている。基板支持部１０は、基板１３に形成された凹部２３の形状に対応するように形成されている。基板支持部１０は、基板１３に形成された凹部２３の形状と相似に形成されている。基板支持部１０は、基板１３の凹部２３に嵌合するように形成されている。基板支持部１０は、平面形状がほぼ長方形になるように形成されている。

本実施の形態においては、基板１３の成膜面２８とサセプタ５の下面２４とが、ほぼ同一平面状になるように形成されている。このため、基板支持部１０と基板１３との境界の部分において、原料ガスの流れが乱れることを抑制でき、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

さらに、本実施の形態においては、第１係合手段としての凹部と第２係合手段としての基板支持部とが嵌合するため、サセプタを回転したときに基板が滑ることを防止できる。すなわち、サセプタの回転数と基板の回転数とを同じにすることができ、均一な成膜をより確実に行なうことができる。

本実施の形態においては、平面視したときに周方向に沿って９０°毎に基板支持部および凹部が形成されているが、この形態に限られず、任意の個数および任意の間隔で基板支持部および凹部が形成されていても構わない。

その他の方法、構成、作用および効果については実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

上記の実施の形態に係るそれぞれの図面において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。

なお、今回開示した上記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。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を含むものである。

実施の形態１における気相成長装置の概略断面図である。 実施の形態１におけるサセプタの部分の概略断面図である。 実施の形態１におけるサセプタの部分の下面図である。 実施の形態１における基板の概略斜視図である。 実施の形態１における気体の流れの第１の試験結果である。 実施の形態１における気体の流れの第２の試験結果である。 実施の形態２における基板の概略斜視図である。 実施の形態３における基板の概略斜視図である。 実施の形態３におけるサセプタの部分の概略断面図である。 実施の形態３におけるサセプタの部分の下面図である。 従来の技術における気相成長装置の概略断面図である。

符号の説明

１，３０ 反応管、２，５ サセプタ、３ ヒータ、４ モータ、６ 保持軸、７ 導入口、８ 排気口、９，１０ 基板支持部、１１〜１３，１５ 基板、１６，１７ 原料ガス流路、１８ 上面、１９，２５，２６ 開口部、２０，２４ 下面、２１ 段差部、２２ 突出部、２３ 凹部、２８ 成膜面、２９ 突起構造物、３１〜３４ 矢印、４１ 上部領域、４２ 下部領域、ｄ１〜ｄ２ 径、Ｌ１〜Ｌ４ 長さ。

Claims (5)

1. 成膜面が下側を向くように基板を支持するためのサセプタを備える横型の気相成長装置の基板支持方法であって、
   前記基板の外周の縁に、段差部、突出部および凹部のうち、いずれかを含むように第１係合手段を形成して、
   前記サセプタに、前記第１係合手段と係合して前記基板を支持するための第２係合手段を形成して、
   前記第１係合手段および前記第２係合手段を、前記基板の前記成膜面と前記サセプタの下面とが略同一平面状になるように形成する、基板支持方法。
2. 前記基板の前記成膜面と前記サセプタの前記下面との段差が０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように前記第１係合手段および前記第２係合手段を形成して行なう、請求項１に記載の基板支持方法。
3. 前記外周の縁に沿って、前記外周の縁の全体に亘って前記段差部を形成する、請求項１に記載の基板支持方法。
4. 成膜面に気相成長を行なうために、前記成膜面が下側に向かって気相成長装置に配置される半導体基板であって、
   外周の縁に、第１係合手段が形成され、
   前記第１係合手段は、段差部、突出部および凹部のうちいずれかを含み、
   前記第１係合手段は、前記気相成長装置のサセプタに形成された第２係合手段と係合して支持されるように形成され、
   前記第１係合手段は、前記成膜面と前記サセプタの下面とが略同一平面状になるように形成された、半導体基板。
5. 前記第１係合手段は、前記基板支持部に配置されたときに、前記成膜面と前記サセプタの下面との段差が０ｍｍ以上１ｍｍ以下になるように形成された、請求項４に記載の半導体基板。

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