JPH04284623A - 半導体結晶層の成長装置とその成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体結晶層を成長
させる装置と方法に関し、特に外部から半導体結晶層の
状態を観測でき、また外部から光を照射して半導体結晶
層を成長させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ
法という）、あるいは分子線ビームエピタキシー法を用
い、反応容器内に設置された基板上に、半導体結晶を成
長させる場合において、反応容器に、いかにして汚れな
い「覗き窓」を設けるかが問題となっている。それはこ
れらの方法により半導体結晶を成長させている途中で、
結晶が成長している状態を外部より観察したり、または
「覗き窓」を通して結晶層に光を照射して、成長してい
る結晶層に光エネルギーを与えることにより、成長状態
を変えたいという目的があるからである。

【０００３】従来、反応容器の「覗き窓」として、いく
つかの構造が提案されており、また使用されている。図
４はその一例として「覗き窓」を有する従来の装置を示
している。この装置は、反応容器１が石英パイプを使用
した二重管構造をしており、外側管のさらに外側には基
板８を加熱する誘導コイル１２が巻かれている。内側管
は、基板８の上方に「覗き窓１３」を開口している。内
側管の内部には反応ガスが供給され、基板表面に半導体
結晶層を成長させる。外側管には、例えば水素を流し、
反応ガスが外側管に流入しないようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの構造
の装置では、反応ガスによって内側管および外側管の内
面が汚れてしまい、何回も連続して使用できない欠点が
あった。内側管内面は常時反応ガスが流れるため、すぐ
に反応ガスの分解生成物が付着し、黒く汚れてしまう。 同様に外側管においても、外側管を流れる水素ガスが「
覗き窓」の近傍で乱流となり、反応ガスが外側管にまで
流入し、ちょうど「覗き窓」上部にある外側管の内面に
接触することにより、徐々にその部分を汚染して基板を
見えなくしてしまう。

【０００５】そのため数回の使用で、反応容器全体を交
換しなければならない。反応容器を交換する際、反応容
器内部に空気中の水分が吸着しているので、その水分を
除去するために、真空ベーキング、ガスベーキング等の
複雑な工程を、数日にわたって何度も繰り返す必要があ
り極めて手間がかかる。

【０００６】ところで、半導体結晶層を成長させる方法
において、光を照射しながら成長させる方法がある。こ
の方法は、光を照射することによって、成長温度を著し
く低くできる特長があり、光を照射するために、反応容
器の外側に光源を配設する。光源は、「覗き窓」を透過
する光でエピタキシャル結晶層を照射する。この方法に
おいては「覗き窓」が汚れないようにすることが極めて
重要である。汚れた「覗き窓」は光を吸収して、エピタ
キシャル結晶層に光照射強度を低下させてしまう。

【０００７】この発明は、これらの欠点を解決するため
に開発されたものであり、この発明の目的は「覗き窓」
が長時間にわたって汚れないようにして、結晶成長の状
態が観察できる半導体結晶層の成長装置を提供するにあ
る。またこの発明のもう一つの重要な目的は、汚れない
「覗き窓」を有する半導体結晶層の成長装置を利用し、
その「覗き窓」から光を効率よく照射することによって
、半導体結晶層を成長させる方法を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の結晶成長装置
と成長方法とは、前述の目的を達成するために、下記の
構成を備えている。まず、半導体結晶層の成長装置は、
反応容器１と、基板８を載せるために配設されているサ
セプター２と、サセプターを加熱するヒータ３と、基板
に向かって反応ガスを供給する反応ガス供給管４とを備
えている。

【０００９】さらにこの装置は、反応容器１にガスを流
入させるための透明管５を備えている。透明管５は先端
よりも後端を細くした筒状で、少なくとも一部は反応容
器１の外部に表出しており、透明管５の先端は反応容器
内に開口されている。透明管５の後端はガスの供給源に
連結されており、透明管５にガスを流すことにより、反
応ガスによる透明管５の汚れを防止でき、透明管５を介
して基板８に成長させる半導体結晶状態を観察でき、さ
らに透明管５を介して光を基板８に照射できるように構
成されている。

【００１０】また、この発明の半導体結晶層の成長方法
は、上記構成を有する反応容器１の内部に配設されたサ
セプター２に基板８を載せ、サセプター２を加熱して、
基板８に向かって反応ガスを供給して、さらに、透明管
５の後端からガスを流しながら、透明管５の外部に配設
された光源９から放射する光を透明管５を介して基板８
に照射して半導体結晶層を成長させるものである。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。但し、以下に示す実施例はこの発明の技術思想
を具体化するものを例示するものであって、この発明を
下記のものに特定するものではない。この発明は、特許
請求の範囲において、数々の変更を加えることができる
。さらにこの明細書は、特許請求の範囲を理解しやすい
ように、実施例に示される部材に対応する番号を、「課
題を解決するための手段」の欄に示される部材に付記し
ている。ただ特許請求の範囲に示される部材を、実施例
の部材に特定するものでは決してない。

【００１２】図１に、本発明の構成を有する半導体結晶
層の成長装置の一例を示す。この装置は例えばＧａＮ、
ＡｌＮ、ＩｎＮ半導体結晶あるいはこれらの混晶をＭＯ
ＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる装置である。この
装置は反応容器１と、サセプター２と、ヒータ３と、反
応ガス供給管４と、透明管５を備えている。

【００１３】反応容器１は、ステンレスでもって外気か
ら遮断できる構造に作られている。図示しないが反応容
器１には、基板８を出し入れできる出入口が設けられ、
出入口には反応容器内部を気密に保つことができる蓋が
設けられている。さらに反応容器１には、内部のガスを
排気する排気口が開口されている。排気口は、真空ポン
プ６に連結され、真空ポンプ６で空気を強制的に排気で
きる。

【００１４】サセプター２はヒータ３に加熱される。し
たがって、サセプター２は耐熱性があり、しかも加熱状
態において、反応容器１内のガスと反応しない物質から
なっており、例えば炭素でできたサセプターの表面をさ
らに炭化ケイ素でコーティングした構造となっている。

【００１５】ヒータ３は、サセプター２の下側に、接近
するが接触しないように配設されており、下からサセプ
ター２を加熱する構造となっている。ヒータ３はオンオ
フあるいは、通電電流が制御されて、サセプター２を設
定温度に加熱する。ヒータ３はサセプター２に内蔵され
た温度センサー（図示せず）によって制御される。

【００１６】ヒータ３はサセプター２を加熱できる全て
の位置に配設することができる。さらに図示しないが、
ヒータをサセプター内に設けて、サセプターと一体構造
にすることも可能である。

【００１７】反応ガス供給管４は、サセプター２の上に
設けられた基板８の上面に反応ガスを供給する。従って
、反応ガス供給管４は水平ないし多少傾斜して、反応容
器１を気密に貫通して固定されている。反応ガス供給管
４は、その先端を基板８の近傍まで延長している。

【００１８】例えばＧａＮのエピタキシャル層を基板８
上に形成する場合、反応ガス供給管４からは、水素と、
アンモニアガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス
の混合ガスを基板８の表面に向かって供給する。

【００１９】透明管５は、例えば石英ガラスのように、
１０００℃以上に加熱されるサセプターの温度にも耐え
られる性質を持った透明な材質で作られる。透明管５は
、反応容器１の上面を気密に貫通し、その上端を、反応
容器１の外部に突出させている。透明管５は、その先端
よりも後端を細くした筒状をしており、下方に向かって
開口面積が大きくなる円錐状となっている。透明管５の
後端はガスの供給源に連結されており、水素、窒素、ア
ルゴン、ヘリウム等の、単独で、あるいは混合して透明
管を汚すことのないガスを基板８に向けて流すことがで
きる。さらに、透明管５は、それらのガスを基板８の上
面に均一に吹き付けることができるように、先端開口部
（下端開口部）の断面積が、基板８の面積にほぼ等しく
なるように設計されている。さらに透明管５の下端は、
基板８の上面に接近して開口している。透明管５の下端
と基板８との間隔は５ｍｍ〜５０ｃｍ、好ましくは１０
ｍｍ〜３０ｃｍの間隔に調整してある。

【００２０】透明管５は、最も好ましくは円錐状の形状
のものを使用するが、必ずしも円錐状とする必要はなく
、開口端に向かって断面積が大きくなる楕円錐状、ある
いは多角錐状としてもよい。多角錐状の透明管にする場
合、多角形の、横断面形状の隅角を所定の曲率で湾曲さ
せるのがよい。

【００２１】円錐状、あるいは隅角を所定の曲率で湾曲
させた多角錐状石英チューブは、従来、縦型ＭＯＣＶＤ
装置の反応容器として使用されている。この形状にする
と、内部を流れるガスが均一な層流となって流れ、ガス
を均一に流すことができる。

【００２２】さらに図２に示す装置は、透明管５の上方
に光源９を設けている。光源９は半導体結晶層に光を照
射して、低温で半導体結晶層を成長させることができる
。光源９は、透明管５の上部に配設され、光源９から放
射される光は、レンズ１０や反射鏡１１で集束されて、
基板上に積層される半導体結晶層表面を均一に照射する
。このように光を集束して照射すると、より強い光で半
導体結晶層を照射できる特長がある。光源には、水銀ラ
ンプやキセノンランプ等の紫外線ランプが使用される。 光源に使用するランプは、２００Ｗ〜数ｋＷのものが使
用できる。

【００２３】さらに図３は筒状の反応容器１の一方から
反応ガスを供給して、基板８に半導体結晶層を成長させ
る装置を示している。この装置は、例えばＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｌＡｓ等の結晶を成長させる場合によく用いられる
装置で、反応容器１の形状を水平に延長した筒状として
いる。反応容器１の内部にはサセプター２が配設され、
サセプター２を誘導コイル１２で加熱する構造となって
いる。また基板８の上方には垂直に延長して透明管５を
配設している。透明管５は図１と図２とに示す装置と同
じ構造のものが使用できる。また透明管５の上端は、水
素、窒素等のガスの供給源に連結している。透明管５に
供給されたガスは、透明管５の内部を層流状態で均一に
流下し、反応ガスが透明管５の内部にまで入ってこない
ようにしている。

【００２４】さらに図示しないが、図３に示す装置は、
図２に示す装置と同じように、透明管５の上方に光源を
配設して、基板に光を照射することもできる。

【００２５】図１に示す半導体結晶層の成長装置を使用
して、下記の条件でＧａＮ半導体結晶層を成長させた。 ［実施例１］ ■　　洗浄してきれいなサファイア基板を、サセプター
２の上に載せ、反応容器１内にサセプター２を移す。 ■　　反応容器１を真空ポンプ９で排気した後、反応ガ
ス供給管からＨ２を流し、内部をＨ２で置換する。 ■　　その後、Ｈ２　ガスを供給しながら、サセプター
２を１０５０℃まで上昇させる。 ■　　この状態を１０分間保持し、サファイア表面の酸
化膜を除去する。 ■　　水素を流しながら、サセプター２の温度を９９３
℃にまで下げて安定するまで静置する。 ■　　次に反応ガス供給管４から、窒素源としてアンモ
ニアガスを５．０ｌ／分の流量で、キャリアガスとして
水素を１．０ｌ／分の流量で供給し、透明管５から、水
素を１０．０ｌ／分の流量で流し、温度が安定するまで
この状態を保持する。 ■　　続いて反応ガス供給管から、アンモニアガスと水
素に加えて、Ｇａ源としてＴＭＧガスを２．７×１０−
５モル／分で６０分間流し、ＧａＮエピタキシャル層を
成長させる。この間サセプター２をゆっくりと回転させ
る。

【００２６】■の工程においてエピタキシャル層から放
射される赤外線を、０．９６μｍの赤外線強度を測定す
る単色型狭波長帯域の放射温度計１４で検出する。放射
温度計１４が検出した赤外線強度、すなわち温度を図５
に示している。図５に示すようにエピタキシャル層が成
長するに従い、赤外線強度が振動し、これを測定するこ
とによってエピタキシャル層の膜厚を知ることができる
。また特定波長のレーザー光を照射し、この強度の変化
から膜厚を測定することもできる。

【００２７】この方法でＧａＮの成長を１００回連続し
て行ったが、透明管５は全く汚れなかった。このため、
透明管５を介して半導体結晶層の成長状態を観察するこ
とができ、また放射温度計を使用して半導体結晶層の成
長状態を常に正確に知ることができた。

【００２８】［実施例２］図２に示す装置を使用して、
光源９から紫外線を照射しながらＧａＡｓ結晶層を成長
させた。サセプター２に載せる基板８には、ＧａＡｓ結
晶を使用する。反応ガス供給管４から、Ａｓ源としてア
ルシン　（ＡｓＨ３）、Ｇａ源としてＴＭＧガス、キャ
リアーガスとして水素を流す。

【００２９】光源９には、５００Ｗの水銀ランプを使用
する。水銀ランプから放射された紫外線をレンズで集光
して基板８を照射する。

【００３０】この状態で基板温度をヒータ３により約４
００〜５００℃に加熱して、ＧａＡｓの光照射ＭＯＣＶ
Ｄ法による成長を行う。透明管５には、反応開始より反
応終了まで常に水素ガスを１０．０ｌ／分の流量で流す
。

【００３１】この状態で６０分間ＧａＡｓのエピタキシ
ャル層を成長させたが、透明管５は全く汚れずに、紫外
線を均一に反応中ずっと照射することができた。なお、
図２に示す装置を使用して、連続して１００回、光照射
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｓ結晶層を成長させたが透明
管５は全く汚れなかった。このため、透明管５を透過し
て、紫外線を効率よくＧａＡｓ基板に照射することが可
能であった。

【００３２】

【発明の効果】この発明の半導体層の結晶成長装置は、
反応容器に「覗き窓」としての透明管を備えている。こ
の透明管は、先端よりも後端を細くした筒状で、少なく
とも一部は反応容器内の外部に表出しており、透明管の
先端は反応容器内に開口されている。さらに透明管の後
端からはガスが供給されている。この構造の装置は、透
明管の先端を反応容器内に開口しており、透明管の内部
でガスが乱流とならず、層流となるので、反応ガスが透
明管の内部に混入してきて、透明管を汚すことがない。

【００３３】このため、この発明の装置は、極めて長時
間にわたって、透明管が反応ガスで汚れず、「覗き窓」
としての役割を果たし、半導体結晶層の成長状態を正確
に観測できる特長がある。ちなみに、本発明者が試作し
た装置は、数百時間使用しても、透明管の汚れをほとん
ど皆無にできる卓効を実現した。

【００３４】さらにまた、この発明の方法は、極めて長
時間使用しても汚れない「覗き窓」である透明管を使用
して半導体結晶層に光を照射する。このため、光源から
でた光は、減衰することなく、エピタキシャル結晶層を
効率よく照射して、光エネルギーを有効に利用して、半
導体結晶層を成長できる特長がある。

【００３５】さらに、この発明の装置は、透明管が汚れ
ないので、これを交換する必要がなく、真空ベーキング
やガスベーキング等を利用したクリーニング手段を極減
し、半導体結晶層を効率よく生産できる特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】　この発明の一実施例を示す半導体結晶層の成
長装置の概略断面図

【図２】　この発明の他の実施例を示す半導体結晶層の
成長装置の概略断面図

【図３】　この発明の他の実施例を示す半導体結晶層の
成長装置の概略断面図

【図４】　従来の半導体結晶層の成長装置の概略断面図

【図５】　実施例１においてエピタキシャル結晶層から
放射される赤外線強度から測定された温度特性を示すグ
ラフ図

【符号の説明】

１…反応容器　　　　　　　　　　２…サセプター　　
　　　　　　３…ヒータ ４…反応ガス供給管　　　　５…透明管　　　　　　　
　　　　　６…真空ポンプ ７…ガス供給源　　　　　　　　８…基板　　　　　　
　　　　　　　　９…光源 １０…レンズ　　　　　　　　　　１１…反射鏡　　　
　　　　　　　１２…誘導コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　反応容器と、基板を載せるために反応
   容器の内部に配設されているサセプターと、サセプター
   を加熱する手段と、基板に向かって反応ガスを供給する
   反応ガス供給管とを備える半導体結晶層の成長装置にお
   いて、反応容器に、ガスを流入させる透明管を備えてお
   り、透明管は先端よりも後端を細くした筒状で、少なく
   とも一部は反応容器の外部に表出しており、透明管の先
   端は反応容器内に開口されており、さらに透明管の後端
   はガスの供給源に連結されており、透明管を介して基板
   の半導体結晶層の状態が観測できるように構成されてい
   ることを特徴とする半導体結晶層の成長装置。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の成長装置の透明管の
   後端から、反応容器内にガスを流しながら、さらにまた
   、透明管の外部に配設した光源より、透明管を介して、
   光源から放射される光を基板に照射することを特徴とす
   る半導体結晶層の成長方法。