特許 5904861 気相成長装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5904861

(24)【登録日】2016年3月25日

(45)【発行日】2016年4月20日

(54)【発明の名称】気相成長装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20160407BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20160407BHJP

   C23C 16/52 20060101ALI20160407BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   C23C16/455

   C23C16/52

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-101269(P2012-101269)

(22)【出願日】2012年4月26日

(65)【公開番号】特開2013-229485(P2013-229485A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2015年4月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000231235

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100094400

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 三義

(74)【代理人】

【識別番号】100152146

【弁理士】

【氏名又は名称】伏見 俊介

(72)【発明者】

【氏名】徳永 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】山口 晃

【審査官】 境 周一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０２３５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−００５５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７７４３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／００−２１／９８

Ｃ２３Ｃ １４／００−１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバーと、
前記チャンバー内に回転軸を中心として回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、
前記サセプタと平行となるように当該サセプタの上面と相互に間隔をあけて、前記回転軸と同軸上に対向して配置された対向板と、
前記サセプタと前記対向板との間の空間であるプロセスガス流路と、
前記サセプタの中央側の上方に設けられ、プロセスガスを前記プロセスガス流路の中央側から外周側に向けて吹き出させるノズルと、
前記サセプタと前記対向板との前記回転軸方向の前記間隔を前記プロセスガス流路の高さとして測定する流路高さ測定手段と、を具備してなり、
前記流路高さ測定手段は、前記対向板の前記回転軸方向の高さの位置を取得する第１レーザ測長機と、前記サセプタの前記回転軸方向の高さの位置を取得する第２レーザ測長機と、前記対向板の前記回転軸方向の高さの位置と前記サセプタの前記回転軸方向の高さの位置との差分から前記プロセスガス流路の流路高さを決定する計算部と、から構成されることを特徴とする気相成長装置。

【請求項2】

前記対向板が、前記ノズル上に配置された対向板受台に支持されており、前記第１レーザ測長機は、前記対向板受台の上面の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項3】

基板は、前記サセプタに載置されており、前記第２レーザ測長機は、前記基板の上面の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項4】

前記第１レーザ測長機は、前記対向板の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項5】

前記プロセスガス流路の高さが、測定条件から決められた高さと異なることが検知された時に、前記プロセスガス流路に供給する前記プロセスガスの流量を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記プロセスガスの流速を増減させることにより、前記プロセスガスの流量を制御するものであることを特徴とする請求項５に記載の気相成長装置。

【請求項7】

前記対向板が、前記制御部と接続された対向板昇降機構に連結されており、前記制御部は、前記対向板昇降機構によって、前記対向板の、前記回転軸方向の高さの位置を制御して前記流路の高さを変更することにより、前記プロセスガスの流量を制御するものであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の気相成長装置。

【請求項8】

前記プロセスガス流路の高さが前記測定条件から決められる高さ±１０％の範囲を超えた時に、前記制御部により前記プロセスガスの流量を制御させることを特徴とする請求項５〜請求項７のうちのいずれかの請求項に記載の気相成長装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プロセスガス流路の高さを常時把握することが可能な気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）に関する。

【背景技術】

【0002】

化学気相成長は、薄膜の原料をガス状態にして基板上に供給し、化学反応により基板表面に薄膜を堆積させる薄膜形成法である。例えば、発光デバイス（青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードや紫色レーザダイオード等）の材料となるＧａＮ系半導体薄膜は、原料として有機金属を用いるＭＯＣＶＤ法により製造される。発光デバイス等の大量生産時代を向かえつつある中、当該デバイスの製造コスト低減のためには、処理基板が大口径化され、かつ、多数枚化される（例えば、４インチ基板×１１枚、６インチ基板×１０枚や８インチ基板×６枚）とともに生産性を向上させて量産に対応した気相成長装置が開発されている。

【0003】

ＧａＮ系半導体薄膜を成膜する気相成長装置としては、チャンバーの中央に配置されたノズルから、有機金属及びアンモニアからなる原料ガスと、水素または窒素からなるキャリアガスを全方位のチャンバー外周方向に供給し、ノズルから所定の位置に載置した４インチ〜８インチ径のサファイアまたはシリコンからなる複数の基板上に、一度に半導体薄膜を気相成長させる自公転型ＭＯＣＶＤ装置が知られている。

【0004】

特に、量産型ＭＯＣＶＤ装置においては、半導体薄膜の膜質の再現性（薄膜の出来具合）は当該ＭＯＣＶＤ装置の性能として非常に重要である。そのため、チャンバーの天板部に光学機器等を設けて、成膜中における基板面の温度や基板の反り、成膜される薄膜の膜厚や組成等を観測するための耐腐食性・耐熱性を有する石英ガラスを嵌め込んだビューポートを設けたＭＯＣＶＤ装置が知られている。

【0005】

例えば特許文献１には、チャンバーと、チャンバー内に設けられた原料ガスの流路と、流路内に設置された基板と、基板を加熱する加熱手段と、流路内に原料ガスを供給するガス供給手段と、チャンバーに設けられたビューポートと、を備えるとともに、ビューポートのチャンバー内部側を原料ガスの流路に向けて延出し、延出部の先端面を流路の外面近傍に配置したことを特徴とするＭＯＣＶＤ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−５３３５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示されているＭＯＣＶＤ装置においては、原料ガスが流れる流路は、サセプタと、石英製のサセプタカバーと、石英製の天井板により形成されている。
原料ガスを含むプロセスガスが流れる流路（以降、プロセスガス流路と称する）の高さは、プロセスガス流路に供給されるプロセスガスの総流量から基板上に到達するプロセスガス流速を算出する上で重要なファクターである。当該流速を参考にして、チャンバー１内に導入するプロセスガスの最適な流量を決めることができる。

【0008】

しかしながら、発明者らの検討により、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて成膜しても、成膜プロセス中に経時的にプロセスガス流路の高さが変動してしまうことが判明した。特に、プロセスガス流路の高さの変動は、基板の交換前後に生じることが多い。
プロセスガス流路の高さが経時的に変動するとプロセスガスの流速が変動することになり、半導体薄膜の膜質等の再現性を劣化させることになる。また、同じＭＯＣＶＤ装置を複数用いて同じ半導体薄膜を成膜する場合、ＭＯＣＶＤ装置間の成膜条件のばらつき（機差）を増大させてしまう問題があった。

【0009】

そこで本発明は、プロセスガス流路の高さの変動を常時把握することが可能な気相成長装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、チャンバーと、前記チャンバー内に回転軸を中心として回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、前記サセプタと平行となるように当該サセプタの上面と相互に間隔をあけて、前記回転軸と同軸上に対向して配置された対向板と、前記サセプタと前記対向板との間の空間であるプロセスガス流路と、前記サセプタの中央側の上方に設けられ、プロセスガスを前記プロセスガス流路の中央側から外周側に向けて吹き出させるノズルと、前記サセプタと前記対向板との前記回転軸方向の前記間隔を前記プロセスガス流路の高さとして測定する流路高さ測定手段と、を具備してなり、前記流路高さ測定手段は、前記対向板の前記回転軸方向の高さの位置を取得する第１レーザ測長機と、前記サセプタの前記回転軸方向の高さの位置を取得する第２レーザ測長機と、前記対向板の前記回転軸方向の高さの位置と前記サセプタの前記回転軸方向の高さの位置との差分から前記プロセスガス流路の流路高さを決定する計算部と、から構成されることを特徴とする気相成長装置が提供される。

【0011】

また、請求項２に係る発明によれば、前記対向板が、前記ノズル上に配置された対向板受台に支持されており、前記第１レーザ測長機は、前記対向板受台の上面の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置が提供される。

【0012】

また、請求項３に係る発明によれば、基板は、前記サセプタに載置されており、前記第２レーザ測長機は、前記基板の上面の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置が提供される。

【0013】

また、請求項４に係る発明によれば、前記第１レーザ測長機は、前記対向板の、前記回転軸方向の高さの位置を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置が提供される。

【0014】

また、請求項５に係る発明によれば、前記プロセスガス流路の高さが、測定条件から決められた高さと異なることが検知された時に、前記プロセスガス流路に供給する前記プロセスガスの流量を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置が提供される。

【0015】

また、請求項６に係る発明によれば、前記制御部は、前記プロセスガスの流速を増減させることにより、前記プロセスガスの流量を制御するものであることを特徴とする請求項５に記載の気相成長装置が提供される。

【0016】

また、請求項７に係る発明によれば、前記対向板が、前記制御部と接続された対向板昇降機構に連結されており、前記制御部は、前記対向板昇降機構によって、前記対向板の、前記回転軸方向の高さの位置を制御して前記流路の高さを変更することにより、前記プロセスガスの流量を制御するものであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の気相成長装置が提供される。

【0017】

また、請求項８に係る発明によれば、前記プロセスガス流路の高さが前記測定条件から決められる高さ±１０％の範囲を超えた時に、前記制御部により前記プロセスガスの流量を制御させることを特徴とする請求項５〜請求項７のうちのいずれかの請求項に記載の気相成長装置が提供される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、対向板の高さ方向の位置が第１レーザ測長機により取得されるとともに、サセプタの高さ方向の位置が第２レーザ測長機により、取得される。また、対向板の高さ方向の位置とサセプタの高さ方向の位置との差分からプロセスガス流路の高さが計算部で決定される。これにより、種々の外的要因により生じるＭＯＣＶＤ装置のプロセスガス流路の高さの変動を常時検知できる。特に、基板の交換前後に生じることが多いプロセスガス流路の高さの変動も確実に検知できる。
結果として、プロセスガス流路の高さの変動に起因する経時的な半導体薄膜の再現性の低下を防止できる。また、ＭＯＣＶＤ装置間の成膜条件のばらつきの増大を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係る気相成長装置の概略構成を示す断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る気相成長装置の一部の拡大断面図である。

【図3】実施例１において、基板を自転させない場合の対向板交換前後のＧａＮ薄膜の膜厚分布を示す図であって、（Ａ），（Ｂ）は膜厚分布の平面図であり、（Ｃ）は基板内の位置による膜厚の差を示すグラフである。

【図4】実施例１において、基板を自転させた場合の対向板交換前後のＧａＮ薄膜の膜厚分布を示す図であって、（Ａ），（Ｂ）は膜厚分布の平面図であり、（Ｃ）は基板内の位置による膜厚の差を示すグラフである。

【図5】実施例１における、ＡｌＮ薄膜の膜厚の基板中心からの距離依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を適用した気相成長装置について、図１及び図２を参照し、説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、および厚みの比率等は実際のものと同一とは限らない。

【0021】

（第１実施形態）
本発明を適用した図１に示すＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）２００の構成について、説明する。

【0022】

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置２００は、チャンバー１と、中空回転機構をなす中空シャフト２と、サセプタ３と、対向板４と、対向板４を支える対向板受台４６と、プロセスガス供給管５と、ノズル１６と、流路高さ測定手段４０と、を有する。

【0023】

チャンバー１は、化学気相成長により基板５０上に半導体薄膜を成膜するための反応炉である。例えば、チャンバー１は、図１に示すように、反応炉の蓋である上部チャンバー１Ａと、反応炉の容器である下部チャンバー１Ｂと、を有する。

【0024】

上部チャンバー１Ａは、成膜中は下部チャンバー１Ｂに密着しているが、成膜間における基板５０やサセプタ３の脱着時には、図示略の上部チャンバー駆動機構により、上方に持ち上げられる。

【0025】

下部チャンバー１Ｂは固定されている。また、下部チャンバー１Ｂは、上部チャンバー１Ａとの密着時に、ＭＯＣＶＤ法による半導体薄膜の成膜が行われる空間を形成する凹部を有する。また、下部チャンバー１Ｂには、図１に示すようなサセプタ昇降機構１２が設けられている。サセプタ３の着脱時には、サセプタ昇降機構１２により、サセプタ３が下部チャンバー１Ｂの上面より上方に持ち上げられた後、着脱される。なお、サセプタ昇降機構１２は省略してもよい。
チャンバー１の材質には、耐食性に優れたステンレスを用いることができる。

【0026】

中空シャフト２は、回転可能な状態でチャンバー１の中央に設けられ、サセプタ３に接続されている。具体的には、図１に示すように、中空シャフト２は下部チャンバー１Ｂの底面中央から上下方向に突出して設けられている。中空シャフト２には、図示略の回転機構が接続されており、中空シャフト２を回転させることでサセプタ３を回転できるようになっている。
中空シャフト２の材質には、ステンレスを用いることができる。

【0027】

サセプタ３は、チャンバー１内に回転可能に設けられている。具体的には、図１に示すように、円盤状のサセプタ３の内周部分が中空シャフト２の上端部２ａに接合されている。このような構成により、サセプタ３が中空シャフト２の回転により、下部チャンバー１Ｂの凹部空間内で回転する。
サセプタ３の材質には、例えばＳｉＣコートカーボンを用いることができる。また、サセプタ３の材質にＳｉＣコートカーボンを用いる場合には、ＳｉＣコートカーボンに石英からなるカバーが設けられる。

【0028】

サセプタ３には、周方向に間隔を隔てて複数の開口部７が設けられている。開口部７は等間隔に設けてもよく、非等間隔に設けてもよい。
各開口部７には、図示略のステージが回転可能に設けられる。具体的には、開口部７に、自転用モータ、あるいは歯車部材等の回転機構が設けられる。ステージは、開口部７に設けられた回転機構に嵌合されることにより、サセプタ３上で回転する。

【0029】

基板５０は、成膜面５０ａを上にしてサセプタ３の外周方向に設置される。具体的には、基板５０は、各開口部７のステージ上に載置される。

【0030】

基板５０の材料としては、成膜する半導体薄膜の原料に適合する半導体が選択される。成膜する半導体薄膜が窒化ガリウムである場合には、サファイア基板、あるいはシリコン基板を用いることができる。
また、基板５０としては、例えば直径４インチ〜８インチの半導体基板を用いることができる。ステージ及び開口部７の直径は、基板５０の直径より大きく設定されるため、ステージ、サセプタ３、チャンバー１の大きさは、基板５０の大きさによって決まる。基板５０の直径が大きくなる程、ステージ、サセプタ３、チャンバー１が大きくなり、ＭＯＣＶＤ装置２００が大型化する。

【0031】

ＭＯＣＶＤ装置２００で基板５０の成膜面５０ａに薄膜を気相成長させる際には、中空シャフト２を所定速度で回転させてサセプタ３を回転させると、このサセプタ３の回転と連動して開口部７の（図示しない）基板保持部材が自転し、これによって基板５０が自公転する状態となる。

【0032】

チャンバー１には、加熱手段８が設けられている。具体的には、図１に示すように、サセプタ３の開口部７の下方に電熱ヒータ等が設置される。ＭＯＣＶＤ法は、気相エピタキシャル成長法（気相エピタキシー）であって、原料となる有機金属を気相で反応領域まで運び、反応領域において有機金属に熱エネルギーを与え、該熱エネルギーを与えられた有機金属が熱分解反応することで、基板の表面に結晶を成長させる方法である。

【0033】

対向板４は、サセプタ３の上面３ａと相互に間隔をあけて対向して配置されている。具体的には、図１に示すように、対向板受台４６に支持されて設けられている。
対向板受台４６は、次に説明するプロセスガス供給管５のパージガス供給路１３内の支持部（図示略）の上端に設置されている。また、対向板４は、サセプタ３とともにプロセスガス流路１５を区画形成する。なお、対向板受台４６の設置箇所及び支持方法は、サセプタ３との間にプロセスガス流路１５を形成するように対向板４を支持できれば、前述の支持部上端に限定されない。対向板受台４６の設置箇所及び設置方法によっては、支持部を省略できる。
対向板４の材質には、石英を用いることができる。

【0034】

プロセスガス供給管５は、図１に示すように、中空シャフト２の中部に挿入されて、その先端がチャンバー１内に達している。図２は、前記先端及び後に詳しく説明するノズル１６周辺の拡大断面図である。
また、プロセスガス供給管５は、図２に示すように多重管構造を有している。すなわち、内管５Ａと外管５Ｂで構成されている。外管５Ｂは、中空シャフト２の内管から離間しており、中空シャフト２と外管５Ｂとの間に隙間が設けられている。この隙間が後述するアンモニアガス供給路１１Ａとなる。また、内管５Ａの内部がパージガス供給路１３となり、内管５Ａと外管５Ｂとの間の隙間が有機金属ガス供給路１１Ｂとなる。

【0035】

成膜する半導体薄膜が窒化ガリウムである場合には、化学気相成長における原料として、有機金属とアンモニアを用いる。これらの原料はそれぞれ、有機金属ガス供給路１１Ｂと、アンモニアガス供給路１１Ａと、を介してチャンバー１内に供給される。
常温では液体又は固体である有機金属は、水素、窒素等をキャリアガスに用いた恒温下でのバブリングにより、半導体薄膜の成膜に充分な量の有機金属ガスとして生成される。

【0036】

有機金属ガス供給路１１Ｂには、図１に示すように、プロセスガス供給管５の下部のプロセスガス導入部５ｄより、バブリングにて生成された有機金属ガスと、水素と窒素からなるキャリアガスとの混合ガスが導入される。また、アンモニアガス供給路１１Ａには、アンモニアガスとキャリアガスとの混合ガスが導入される。
また、図２に示すように、有機金属ガス供給路１１Ｂとアンモニアガス供給路１１Ａとを区画する外管５Ｂの内部には、アンモニアガス供給路１１Ａ、有機金属ガス供給路１１Ｂの温度を調整するための温度調整流体を流通させる温度調整流路１４が設けられている。なお、温度調整流路１４は省略してもよい。

【0037】

パージガス供給路１３には、プロセスガス導入部５ｄよりパージガスが導入される。パージガスは、中空シャフト２とプロセスガス供給管５との間の空隙からチャンバー１内に不純物が侵入する、あるいは、チャンバー１から原料ガスが外部に漏れることを防ぐ。
前述のように、原料ガスとして有機金属ガスとアンモニアガスが用いられる場合、パージガスとしては、例えば窒素を用いることができる。
ＭＯＣＶＤ装置２００におけるプロセスガスとは、上記の原料ガス、キャリアガス等、半導体薄膜の化学気相成長による成膜を行うために用いられるガスのことをいう。

【0038】

内管５Ａは、その先端部５Ａ_１が対向板４に平行になるように折り曲げられてプロセスガス流路１５に向けられている。同様に、外管５Ｂは、その先端部５Ｂ_１が内管５Ａの先端部５Ａ_１に沿って折り曲げられてプロセスガス流路１５に向けられている。これにより、プロセスガス供給管５を通じてチャンバー１に向けて上昇してきた各ガスがそれぞれプロセスガス流路１５に向けて供給されるようになっている。
なお、内管５Ａ及び外管５Ｂは、図１に示すように中空シャフト２と接続せずに回転停止状態で設置されてもよく、中空シャフト２と接合されて中空回転機構によりサセプタ３と同期して回転可能に設置されてもよい。

【0039】

具体的には、先端部５Ａ_１と対向板４との間には、パージガス供給路１３に連通する隙間が設けられており、この隙間のプロセスガス流路１５側にパージガスノズル１６ａが形成されている。また、内管５Ａと外管５Ｂとの間の有機金属ガス供給路１１Ｂが、各先端部５Ａ_１，５Ｂ_１によってプロセスガス流路１５に向けられており、この有機金属ガス供給路１１Ｂの出口が有機金属ガスノズル１６ｂとなっている。さらに、先端部５Ｂ_１とサセプタ３との間には、アンモニアガス供給路１１Ａに連通する隙間が設けられており、その隙間のプロセスガス流路１５側にアンモニアガスノズル１６ｃが形成されている。これらの各ノズル１６ｂ，１６ｃをこのように形成することにより、各ガスが各ノズル１６ｂ，１６ｃの中心から放射状に拡がって流れ、かつ、プロセスガス流路１５に供給されるプロセスガスの流れを円滑にすることができる。そのため、各基板５０の成膜面５０ａに均一に原料ガスを供給することが可能になる。

【0040】

また、パージガス供給路１３は、対向板４に突き当たった後、対向板受台４６と先端部５Ａ_１との間の隙間に連通している。その隙間のプロセスガス流路１５側にパージガスノズル１６ａが形成されている。これにより、パージガスはプロセスガスと同様にノズル１６の中心から放射状に拡がって流れる。その後、吹き出された各ガスがプロセスガス流路１５内において相互に拡散し、各ガスが基板５０上で反応する。以降では、ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃ全体を示す際には、単に「ノズル１６」と記載する。

【0041】

プロセスガス流路１５に吹き出されたプロセスガスは、化学反応により基板５０の成膜面５０ａに堆積して半導体薄膜を形成する。円盤状のノズル１６の延在方向が、基板５０の成膜面５０ａと平行であるとともに、前述のように基板５０が自公転することにより、成膜面５０ａに均一な膜厚の半導体薄膜が形成される。半導体薄膜の形成に用いられなかった残りのプロセスガスは、下部チャンバー１Ｂに設けられたガス排出部２７から、チャンバー１の外に排出される。

【0042】

ノズル１６の合計の高さＢは、図２に示すように、プロセスガス流路１５へのプロセスガスの流速を制御する。ＭＯＣＶＤ装置２００における高さＢは、周方向でほぼ一定になるように設計されている。

【0043】

流路高さ測定手段４０は、第１レーザ測長機４１と第２レーザ測長機４２から構成されている。図１に示すように、第１レーザ測長機４１は、対向板４の高さ方向の位置を取得する。具体的には、第１レーザ測長機４１は、対向板受台４６の上方に設けられており、対向板受台４６の上面４６ａの位置を測定する。また、第２レーザ測長機４２は、基板５０またはサセプタ３の上方に設けられ、サセプタ３の高さ方向の位置を取得する。

【0044】

図示しない計算部４３は、第１レーザ測長機４１により取得された対向板４の高さ方向の位置と、第２レーザ測長機４２により取得されたサセプタ３の高さ方向の位置との差分から、図１に示すプロセスガス流路１５の高さＹを決定する。

【0045】

具体的には、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２は、図１に示すように、上部チャンバー１Ａ外部に設けられた天板４５に設置されている。これにより、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２は、同一の高さに位置することになる。第１及び第２のレーザ測長機４１，４２のレーザ出射部が同一の高さになる場合は、第１レーザ測長機４１により取得された対向板４の高さ方向の位置と、第２レーザ測長機４２により取得されたサセプタ３の高さ方向の位置との差分が、プロセスガス流路１５の高さＹとなる。

【0046】

なお、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２の設置位置は図１に示す位置に限定されない。第１レーザ測長機４１の設置位置と第２レーザ測長機４２の設置位置の高さに差がある場合は、計算部４３にその高さの差を予め入力しておくことが好ましい。これにより、プロセスガス流路１５の高さＹを正確に決定することができる。
また、対向板４の上面４ａと対向板受台４６の上面４６ａとの高さに差がある場合は、第１レーザ測長機４１により取得された対向板受台４６の高さ方向の位置と、第２レーザ測長機４２により取得されたサセプタ３の高さ方向の位置との差分から、対向板４の上面４ａと対向板受台４６の上面４６ａとの高さ方向の差を引いた値が、プロセスガス流路１５の高さＹとなる。

【0047】

第１及び第２のレーザ測長機４１，４２には、一般に使用されているレーザ測長機、レーザ変位計を用いることができる。また、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２の距離分解能は、プロセスガス流路１５の高さＹを決定する精度を勘案して設定することが好ましい。

【0048】

第１及び第２のレーザ測長機４１，４２は、例えば可視域のレーザ光を図１に示す高さ方向の下方に向けて出射し、対向板４あるいはサセプタ３での正反射により戻ってくるレーザ光を受光することにより、対向板４の高さ方向の位置及びサセプタ３の高さ方向の位置を取得する。
したがって、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２の直下の上部チャンバー１Ａには、図１に示すように、第１窓６１と第２窓６２が設けられている。第１及び第２の窓６１，６２は、例えば石英で構成される。第１及び第２の窓６１，６２の材質として、石英のように透明度の高い材質を用いることにより、プロセスガス流路１５の高さＹを決定するための第１及び第２のレーザ測長機４１，４２のそれぞれにおける対向板４の高さ方向の位置及びサセプタ３の高さ方向の位置の取得精度が高くなる。

【0049】

第１レーザ測長機４１は、図１に示すように、対向板４の上方の位置Ｐ´に設置してもよい。これにより、第１レーザ測長機４１は、直接対向板４の高さ方向の位置を取得することができる。

【0050】

なお、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２は、それぞれ対向板４の高さ方向の位置及びサセプタ３の高さ方向の位置を測定できれば、図１に示す設定位置に限定されない。例えば、第１及び第２のレーザ測長機４１，４２をチャンバー１の側方に設置してもよい。

【0051】

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置２００においては、対向板４の高さ方向の位置が第１レーザ測長機４１により取得されるとともに、サセプタ３の高さ方向の位置が第２レーザ測長機４２により、取得される。また、対向板４の高さ方向の位置とサセプタ３の高さ方向の位置との差分からプロセスガス流路１５の高さＹが計算部４３で決定される。
半導体薄膜の成膜時に、プロセスガス流路１５の高さＹを把握することにより、プロセスガス流路１５の高さＹの変動に起因する経時的な半導体薄膜の再現性の低下を防止できる。また、ＭＯＣＶＤ装置間の成膜条件のばらつきの増大（装置間の機差）を防ぐことができる。

【0052】

なお、チャンバー１は、窒素雰囲気のグローブボックス内に設置される場合がある。グローブボックスには、チャンバー１とともに、搬送ロボットと、基板交換テーブルが設置される。また、グローブボックスには、パスボックスが備え付けられる。このような構成においては、搬送ロボットのアームが基板交換テーブルとパスボックスとの間を適宜移動し、半導体薄膜の成膜工程毎に成膜済の基板を伴う後述のサセプタ３と、対向板４をパスボックスから脱着することが可能となっている。成膜済のサセプタをパスボックスで冷却し、チャンバー１と基板交換テーブルとの間でサセプタを交換することにより、２セットのサセプタを大気に触れさせることなく、連続的かつ効率的に運用することができる。
グローブボックス内の動作については、基板の設置及び回収を手動で行い、その他の動作は全て自動化されている。これにより、半導体薄膜の成膜作業の信頼性とスループットが高まる。

【0053】

しかしながら、上記のように成膜工程間のサセプタ３及び基板５０の着脱時に、プロセスガス流路１５の高さＹの変動が大きくなることが判明している。
本実施形態のＭＯＣＶＤ装置２００においては、上記説明したように、第１レーザ測長機４１により取得された対向板４の高さ方向の位置と、第２レーザ測長機４２により取得されたサセプタ３の高さ方向の位置との差分から、プロセスガス流路１５の高さＹが決定される。
これにより、サセプタ３や基板５０の着脱等の外的要因により生じるＭＯＣＶＤ装置２００のプロセスガス流路１５の高さＹの変動も把握できる。特に、基板５０の交換前後に生じることが多いプロセスガス流路１５の高さＹも確実に把握できる。

【0054】

次いで、ＭＯＣＶＤ装置２００を用いた半導体薄膜の製造方法について説明する。本実施形態では、基板５０としてサファイア基板を用いて、サファイア基板上にＧａＮ薄膜を成膜する。

【0055】

先ず、サセプタ３の各ステージ上に基板５０を設置する。その後、加熱手段８により、基板５０を所定の温度に加熱する。
この後、流路高さ測定手段４０を用いて、プロセスガス流路１５の高さＹを決定してもよい。計算部４３により、プロセスガス流路１５の高さＹが測定条件から決められた高さと異なる場合には、ノズル１６からのプロセスガスの流速は、高さＹと測定条件から決められた高さとの差を勘案して設定することが好ましい。

【0056】

続いて、中空シャフト２を駆動させ、サセプタ３を回転させるとともに、サセプタ３のステージを回転させる。これにより、サファイア基板が中空シャフト２を中心として自転及び公転を行う。

【0057】

次に、プロセスガス導入部５ｄより、プロセスガス供給管５のパージガス供給路１３、有機金属ガス供給路１１Ａ、アンモニアガス供給路１１Ｂにそれぞれ、窒素からなるパージガスと、トリメチルガリウム等の有機金属ガスと水素と窒素との混合ガスと、アンモニアガスと水素と窒素との混合ガスを供給する。
続いて、ノズル１６から、有機金属ガスと、アンモニアガスと、水素及び窒素とを混合したプロセスガスをプロセスガス流路１５のサセプタ３中央側から外周側に吹き出させる。ノズル１６におけるプロセスガスの流速は、成膜するＧａＮ薄膜の厚みを勘案して設定することが好ましい。

【0058】

成膜中は常に、流路高さ測定手段４０を用いて、プロセスガス流路１５の高さＹを把握することが好ましい。これにより、成膜中に外的要因または内的要因により、サセプタ３あるいは対向板４の高さ方向の位置が変動した場合は、プロセスガス流路１５の高さＹが変動する。この変動を把握することにより、プロセスガス供給管５に導入するプロセスガスの調整等を行い、プロセスガス流路１５へのプロセスガスの流量の経時的なばらつきを低減することができる。

【0059】

基板５０上のＧａＮ薄膜が目標とする厚みに達した際に、プロセスガス供給管５への窒素からなるパージガスと、有機金属ガスと水素と窒素との混合ガスと、アンモニアガスと水素と窒素との混合ガスの供給を中止する。また、中空シャフト２及びサセプタ３のステージの回転を停止させる。
その後、基板５０及び基板５０ａ上に成膜された半導体膜を適温になるまでチャンバー１内で自然冷却した後、上部チャンバー１Ａを開放して基板５０を取り出す。

【0060】

（第２実施形態）
本発明を適用した気相成長装置の別の例として、図示略のＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）２０１（図示略）の構成について、説明する。

【0061】

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置２０１は、第１実施形態のＭＯＣＶＤ装置２００の構成に加え、制御部６５を有する。制御部６５は、計算部４３により決められたプロセスガス流路１５の高さＹが、測定条件から決められた高さと異なることが検知された時に、プロセスガス流路１５に供給するプロセスガスの流量を制御する。
具体的には、プロセスガス流路１５の高さＹが、測定条件から決められた高さと異なることが検知された時に、ノズル１６から吹き出させるプロセスガスの流速を制御するために、プロセスガス供給管５への原料ガス、パージガスの供給流量を変更してもよい。

【0062】

さらに、制御部６５は、計算部４３により決められたプロセスガス流路１５の高さＹが、測定条件から決められた高さ±１０％の範囲を超えた時に、前述のようにノズル１６から吹き出させるプロセスガスの流速を変える、あるいは対向板４の高さを制御することにより、プロセスガス流路１５に供給するプロセスガスの流量を制御してもよい。

【0063】

ＭＯＣＶＤ装置２０１を用いた半導体薄膜の製造方法においては、計算部４３により決められたプロセスガス流路１５の高さＹが、測定条件から決められた高さと異なることを検知した時に、制御部６５により、ノズル１６から吹き出させるプロセスガスの流速を変える、あるいは対向板４の高さを制御しながら、ＭＯＣＶＤ装置２００を用いた半導体薄膜の製造方法と同一の工程を行う。
これにより、種々の要因により生じるプロセスガス流路１５の高さＹの変動を常時検知できるとともに、ノズル１６からのプロセスガスの流量を制御し、プロセスガス流路１５の高さＹの変動に起因する経時的な半導体薄膜の再現性を高められる。また、ＭＯＣＶＤ装置２０１間の成膜条件のばらつきを低減することができる。

【0064】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【実施例】

【0065】

（実施例１）
図１及び図２に示すＭＯＣＶＤ装置２００を用いて、ドープなしのＧａＮ系半導体薄膜を製造した。基板には、６インチのサファイア基板を用い、サセプタの温度は１３００℃程度とした。
サセプタの開口部は、外周上に等間隔に１１個（各開口部をＳＴ１〜ＳＴ１１と称する）設けて各開口部にサファイア基板（以降、単に「基板」と記載する）を載置した。
なお、成膜時間はいずれの場合も同一とした。

【0066】

＜基板を自転させないでＧａＮ薄膜を成膜する場合＞
先ず、ＭＯＣＶＤ装置２００の対向板を基準高さに設定し、基板を自転させずにＧａＮ薄膜を成膜した。このときの基板上のＧａＮ薄膜の厚さ分布を図３（Ａ）に示す。
次いで、対向板の高さは、対向板受台の高さを変えることにより調整が可能であるから、対向板を基準高さから１．０ｍｍ移動させてプロセスガス流路の高さを小さくして基板を自転させずにＧａＮ薄膜を成膜した。このときの基板上のＧａＮ薄膜の厚さ分布を図３（Ｂ）に示す。また、図３（Ａ），（Ｂ）における基板の下流端からの距離に対するＧａＮ薄膜の膜厚の変化を図３（Ｃ）に示す。
図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）から、基板の自転を停止している場合は、プロセスガス流路の高さが小さくなると、基板上で薄膜厚さ分布が均一にならない傾向が顕著になることがわかる。

【0067】

＜基板を自転させてＧａＮ薄膜を成膜する場合＞
＜基板を自転させないでＧａＮ薄膜を成膜する場合＞と同様に、ＭＯＣＶＤ装置２００の対向板を基準高さに設定し、基板を自転させながらＧａＮ薄膜を成膜した。このときの基板上のＧａＮ薄膜の厚さ分布を図４（Ａ）に示す。
次いで、対向板を基準高さから１．０ｍｍ移動させてプロセスガス流路の高さを小さくして基板を自転させながらＧａＮ薄膜を成膜した。このときの基板上のＧａＮ薄膜の厚さ分布を図４（Ｂ）に示す。また、図４（Ａ），（Ｂ）における基板の下流端からの距離に対するＧａＮ薄膜の膜厚の変化を図４（Ｃ）に示す。
図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）から、プロセスガス流路が狭くなっても、基板上で薄膜厚さ分布がほぼ均一になることがわかる。また、プロセスガス流路を狭くすることで、基板上で平均した成膜速度が１９％向上した。

【0068】

＜基板を自転させてＡｌＮ薄膜を成膜する場合＞
＜基板を自転させてＧａＮを成膜する場合＞と同様の条件で、ＧａＮではなくＡｌＮを成膜した。
図５はＡｌＮ薄膜の膜厚とプロセスガス流路の高さとの関係を示すグラフである。
図５に示すように、プロセスガス流路の高さが基準高さの場合は、平均膜厚は２７１ｎｍであり、膜厚のばらつき（Δ）は±４．６％であった。これに対して、プロセスガス流路の高さが基準高さより１．０ｍｍ小さい場合は、平均膜厚は２７７ｎｍであり、膜厚のばらつき（Δ）は±２．９％に低減された。
以上の結果より、対向板の高さの調整によりプロセスガス流路の高さが変動し、プロセスガス流路の高さがＧａＮ薄膜またはＡｌＮ薄膜の成膜速度及び膜厚に影響を与えることを確認した。

【0069】

＜基板を自転させてＧａＮ薄膜を連続して成膜する場合＞
＜基板を自転させてＧａＮを成膜する場合＞と同様の条件で、ＧａＮ薄膜の製造を連続して８回（１Ｒｕｎ〜８Ｒｕｎ）行った際のプロセスガス流路の基準高さからのずれ（Ｒｕｎ毎のプロセスガス流路の高さ）と、補正ガス流量を表１に示す。また、補正ガス流量とは、ドープなしのＧａＮ薄膜の製造におけるプロセスガスの標準流量（例えば、３９０ＳＬＭ）に対する、プロセスガス流路の高さの変化に起因したガス流速の変動を補正するために必要なガス流量を示す。
なお、表１における１Ｒｕｎ〜８Ｒｕｎまでのプロセスガス流路の高さは、チャンバー１における同一箇所で測定した。即ち、流路高さ測定手段の第１及び第２のレーザ測長機の位置を固定して、ＧａＮ薄膜の製造を行った。第１レーザ測長機の設定位置は、図１に示すように、対向板受台の上方とした。

【0070】

【表1】

【0071】

表１に示すように、本発明を適用したＭＯＣＶＤ装置において、プロセスガス流路の高さがＲｕｎ毎に数十〜数百μｍの幅で変動していることを確認した。そして、流路高さ測定手段で取得したプロセスガス流路の高さの変動に応じてプロセスガスの流量を調整することで、経時的な半導体薄膜の再現性の低下を防止できることを確認した。また、Ｒｕｎ毎のみでなく、ＭＯＣＶＤ装置間においても機差によるプロセスガス流路の高さに関係なく安定した成膜を行うことができる。

【符号の説明】

【0072】

１…チャンバー、１Ａ…上部チャンバー、１Ｂ…下部チャンバー、２…中空シャフト、３…サセプタ、２ａ，３ａ，４ａ，４６ａ…上面、４…対向板、４ｂ…底面、５…プロセスガス供給管、５Ａ…内管、５Ｂ…外管、５Ａ_１，５Ｂ_１…先端部、７…開口部、８…加熱手段、１１Ａ…有機金属ガス供給路、１１Ｂ…アンモニアガス供給路、１２…サセプタ昇降機構、１３…パージガス供給路、１４…温度調整流路、１５…プロセスガス流路、１６…ノズル、１６ａ…パージガスノズル、１６ｂ…有機金属ガスノズル、１６ｃ…パージガスノズル、２７…ガス排出部、４０…流路高さ測定手段、４１…第１レーザ測長器、４２…第２レーザ測長器、４３…計算部、４５…天板、４６…対向板受台、５０…基板、５０ａ…成膜面、６１…第１窓、６２…第２窓、６５…制御部、２００，２０１…ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）

【図1】

【図2】

【図5】

【図3】

【図4】