专利名称：气相生长装置以及气相生长方法
技术领域：
本发明涉及用于通过一边加热晶片一边在高温状态下供给原料气体来在晶片的表面上气相生长出化合物半导体等的薄膜的气相生长装置，特别是涉及用于配置晶片的晶片收纳体的材质的特性。
背景技术：
现在，气相生长法在产业界的各种领域得到利用。在气相生长中，使在晶片上生长的薄膜的膜厚、组成以及掺杂浓度在面内全区域的高度均匀化，这很显然是必须的项目。这样，作为面内全区域的均匀化的实现方法，晶片加热的均热化就成了最重要的关键技术。
图1是表示一般的气相生长装置的构成例的剖视图。如图1所示，气相生长装置100包括反应炉1、配置晶片2的晶片保持器3、载置晶片保持器3的衬托器4、设置在衬托器4的下侧的加热器5、旋转自如地支承晶片保持器3以及衬托器4的旋转机构6、供给原料气体和载气的气体导入管7、排出未反应气体的气体排气管8等。
图9是表示晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)为俯视图，(b)为A-A线剖视图。晶片保持器3构成为，在其一个面上，在同一圆周上形成有多个(图9中为6个)用于配置晶片2的圆形凹坑3a，在相反面上则与衬托器4接触。这里，晶片保持器3可以由单一或者多个部件构成，但通常如图9所示，由单一的部件构成。
又，衬托器4由热传导率较高的材质(例如钼等)构成，以均匀地传递来自加热器5的热量。另外，对于晶片保持器3，一般也使用热传导率较高的石墨或钼等。
在上述构成的气相生长装置中，通过用加热器5从衬托器4的下侧进行加热而经由衬托器4、晶片保持器3将热量传递至晶片2，并使晶片2上升到规定的温度。另外，通过旋转机构6使衬托器4以规定的转速旋转，由此一边将从气体导入管7导入的原料气体和载气均等地供给到晶片2的表面上，一边进行薄膜的气相生长。
但是，通过本发明的发明人的实验可知，在上述那样的气相生长装置100中，由于晶片2的表面温度比晶片保持器3的表面温度低，从而导致晶片2的周缘部分受到晶片保持器3的温度的影响而比晶片2的中央部分温度高。即，在以往的气相生长装置100中，晶片2的面内温度分布不均匀，所以要气相生长出在晶片2的面内全区域中均匀性优良的薄膜是困难的。
本发明为解决上述问题而提出，目的在于提供一种可以气相生长出在晶片的面内全区域中具有良好的均匀性的薄膜的气相生长装置以及气相生长方法。
发明内容
本发明的气相生长装置至少备有可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，其中，前述晶片收纳体包括形成有用于收纳前述晶片的空部的热流控制部、与该热流控制部接合并用于将热量传递到收纳在前述空部中的晶片的热流传导部；在前述热流控制部和前述热流传导部邻接的平面以及曲面间存在均匀的热阻Rg。
通过这样地构成晶片收纳体，可以容易地调整从前述热流传导部朝向晶片2的表面的热传递路径中的热阻R1与从前述热流传导部朝向前述热流控制部表面的热传递路径中的热阻R2之比R2/R1。另外，希望使前述热阻比R2/R1为0.8以上、1.2以下。
由此，在热量从晶片收纳体的内面(热流传导部的内面)向晶片的表面以及晶片收纳体的表面(热流控制部的表面)传递时，在各自的热传递路径中的热阻大致相等，所以可以进行同样的热传导，使晶片表面以及晶片收纳体表面的到达温度相同。因此，可以避免由于晶片的表面温度和晶片收纳体的表面温度存在差异而导致的晶片周缘部的表面温度比晶片中央部的表面温度上升的问题，可以均匀地保持晶片的面内温度分布。其结果，可以气相生长出在晶片的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。
另外，使前述热阻Rg为1.0×10-6m2K/W以上、5.0×10-3m2K/W以下。并且，使前述热流控制部和前述热流传导部之间的间隙距离在0.001mm至1mm的范围内并且是一样的。由此，前述热阻Rg与前述热流传导部和晶片之间的接触热阻大致相等，所以热阻比R2/R1的调整变得容易。
另外，希望用具有配置在前述热流传导部上的晶片的热传导率的0.5倍以上、20倍以下的热传导率的材质形成前述热流控制部。虽没有特别限定，但只要是具有不污染薄膜生长和反应器内的气氛，则可采用多种材料制作热流控制部。
另外，希望用热传导率比晶片高的材质、例如具有50W/mK以上、450W/mK以下的热传导率的材质形成热流传导部。
例如，可以用无定形碳、氮化铝、石墨、硅、碳化硅、钼、热解碳化硼、氧化铝中的任何一种形成前述热流控制部，前述热流传导部则可以由钼、石墨、金、银中的任何一种形成。
另外，在使用上述那样的气相生长装置、在前述反应炉内通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体、来在前述晶片的表面上形成生长膜的气相生长方法中，使气相生长薄膜时的前述晶片收纳体表面和前述晶片表面的温度差为2℃以内。由此，晶片的面内温度分布变得均匀，所以可以气相生长出在晶片的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。
以下，对完成本发明的细节进行说明。
首先，对于晶片2的表面温度比晶片保持器3的表面温度低的原因，本发明的发明人着眼于晶片2以及晶片保持器3内部中的热传递路径的不同。即，一般，晶片2和晶片保持器3的材质不同，不能进行同样的热传导，所以在各自的表面的到达温度上产生了差异。
图10是晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图。在图10中，Tup是晶片保持器3的内面温度，Tsurf是晶片2或者晶片保持器3的表面温度，Tdown是距晶片2和晶片保持器3的表面规定距离的位置上的假设面(以下称为假想边界面)上的温度。如图10所示，热量沿从晶片保持器3的内面通过晶片保持器3以及晶片2到达假想边界面的热传递路径1热传导至晶片表面2，沿从晶片保持器3的内面通过晶片保持器3到达假想边界面的热传递路径2热传导至晶片保持器3的表面。这样可知，对于晶片2的表面和晶片保持器3的表面，各自的热传递路径不同。
即，通过图10所示的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图，热传递路径1中的热阻R1是将晶片保持器3部分的热阻R1c、晶片保持器3和晶片2的接触热阻R1g、晶片2部分的热阻R1w相加而得到的热阻，热传递路径2中的热阻R2是晶片保持器3部分的热阻R2c。
另外，热阻R通过下式(1)给出。
R=Lk···(1)]]>Rm2K/W热阻Lm热流方向的原材料的厚度kW/m·K热传导率由此，热阻R1、R2可以用下式表示。
R1=R1c+R1g+R1w=Lck1c+R1g+Lwk1w···(2)]]>R2=R2c=Lck2c+Lwk2c···(3)]]>(其中，k1c＝k2c)这里，晶片2(InP、GaAs等)的热传导率k1w与晶片保持器3(石墨、钼等)的热传导率k2c相比显著地小，所以Lw/k1w＞Lw/k2c，而且在晶片2和晶片保持器3的接触面上产生接触热阻R1g，所以，很明显，R2比R1小。
R1＞R2...(4)另外，热传导受热传递路径中的热通量支配。一般地，热通量是指流过单位面积(单位m2)的能量(热流)的量，用下式(5)给出。
q=-1Rtotal(Tdown-Tup)···(5)]]>qW/m2热通量Rtotalm2K/W总热阻
TupK上游侧温度TdownK下游侧温度另外，在图10中，热传递路径1、2中的总热阻R1total、R2total用下式表示。
R1total＝R1+R1a...(6)R2total＝R2+R2a...(7)(其中，R1a＝R2a)由上式(4)、(6)、(7)可知，R1total＞R2total。因此，热传递路径1中的热通量q1比热传递路径2中的热通量q2小。
q2＞q1...(8)另外，热通量q1、q2可以使用晶片2的表面温度T1surf、晶片保持器3的表面温度T2surf如下式那样表示。
q1=-1R1a(Tdown-T1surf)···(9)]]>q2=-1R2a(Tdown-T2surf)···(10)]]>由上式(8)、(9)、(10)可以导出晶片2的表面温度T1surf比晶片保持器3的表面温度T2surf低。
T2surf＞T1surf...(11)这样可知，在以往的气相生长装置中，晶片2和晶片保持器3的热传导率存在较大的不同，所以会如上述那样，在表面温度T1surf、T2surf间产生差异。
因此，本发明的发明人就缩小晶片2的表面温度T1surf和晶片保持器3的表面温度T2surf的差异的方法进行了研究，从上式(5)～(10)发现，使各自的热传递路径中的热阻R1、R2相等即可(即，使热阻比R2/R1接近1)。
这样，本发明的发明人提出了用热流控制部31和热流传导部32这两个部件构成晶片保持器3的方法。
该情况下，热阻概念图变成了图3那样，热阻R1及热阻R2可用下式表示。
R1=R1c+R1g+R1w=Lck1c+R1g+Lwk1w···(12)]]>(和式(2)相同)R2=R2c+R2g+R2w=Lck2c+R2g+Lwk2p···(13)]]>(其中，k1c＝k2c)即，使晶片2和热流传导部32的接触热阻R1g、热流控制部31和热流传导部的接触热阻R2g的值接近，并且使晶片2部分的热传导率k1w和热流控制部31部分的热传导率k2p的值接近，由此可以使R1和R2的值接近。
本发明是以上述发现为基础而完成的，在气相生长装置中，晶片保持器3包括形成有用于收纳晶片的空部的热流控制部、用于配置该热流控制部以及晶片的热流传导部，在前述热流控制部和前述热流传导部邻接的平面以及曲面间存在均匀的热阻R2g，使热阻比R2/R1为0.8以上、1.2以下。
另外，使前述热阻Rg为1.0×10-6m2K/W以上、5.0×10-3m2K/W以下，并且使前述热流控制部和前述热流传导部之间的间隙距离在0.001mm至1mm的范围内并且是一样的，R1g和R2g大致相等。另外，用具有配置在前述热流传导部上的晶片的热传导率的0.5倍以上、20倍以下的热传导率的材质形成热流控制部，可以使晶片2部分的热传导率k1w和热流控制部31部分的热传导率k2p的值接近。
又，在上式(12)、(13)中，可以通过增大Lw或者Lc的值来使热阻比R2/R1接近1，但由于温度控制上、装置的有效空间上、成本上的问题而难以实现，所以作为具体的对策，采用具有与晶片2的热传导率接近的热传导率的材质作成晶片热流控制部31。
图1是表示本实施方式的气相生长装置的概略构成的剖视图。
图2是表示由热流控制部以及热流传导部构成的晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)是俯视图，(b)是A-A线剖视图。
图3是表示使用由热流控制部以及热流传导部构成的晶片保持器3的情况下的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图。
图4是实施例中的气相生长装置100的晶片2以及晶片保持器3附近的概略解析模型图。
图5是表示作为实施例而使用了由热流控制部以及热流传导部构成的晶片保持器的情况下的晶片以及晶片保持器内部的温度分布的解析结果。
图6是表示作为比较例而使用了石墨制的晶片保持器的情况下的晶片以及晶片保持器的温度分布的解析结果。
图7是表示实施例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。
图8时表示比较例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。
图9是表示以往的晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)是俯视图，(b)是A-A线剖视图。
图10是表示以往的气相生长装置中的晶片2和晶片保持器3中的热阻的概念图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的气相生长装置(MOCVD装置)的实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的气相生长装置的概略构成的剖视图。图2是表示晶片保持器3的详细构成的放大图，(a)为俯视图，(b)为A-A线剖视图。
在以往技术中，以用石墨等热传导率较高的材质形成的晶片保持器3作为晶片收纳体，但在本实施例中，则用由石墨等热传导率较高的材质构成的热流传导部32和由具有与晶片的热传导率比较接近的热传导率的无定形碳(以下，简单记作α-碳)构成的热流控制部31来构成晶片收纳体。
如图1所示，气相生长装置100包括反应炉1、配置晶片2的晶片保持器3、载置晶片保持器3的衬托器4、设置在衬托器4的下侧的加热器5、旋转自如地支承晶片保持器3以及衬托器4的旋转机构6、供给原料气体和载气的气体导入管7、排出未反应气体的气体排气管8等。
该气相生长装置100的各壁体由例如不锈钢构成。另外，气体导入管7设置在上侧壁体中央部，将例如三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMG)等第13(3B)族原料气体和砷化三氢(AsH3)、磷化氢(PH3)等第15(5B)族原料气体以及作为载气的氢气(H2)等惰性气体导入反应炉内。
晶片保持器3是在成型为圆盘状的石墨制的热流传导部32上一体地形成有α-碳制的热流控制部的一个部件，并载置于衬托器4上。另外，在热流控制部31上，在同一圆周上形成有多个(图3中为6个)用于配置晶片2的圆形凹坑3a。衬托器4由热传导率较高的材质(例如钼等)构成，以均等地传递来自加热器5的热量，并由旋转机构6可旋转地支承。另外，在衬托器4的下侧，同心圆状地配设有用于加热晶片2的加热器5。
在以往的气相生长装置中，一般使用热传导率较高的石墨或钼等的同一材料形成晶片保持器3，但在本实施方式中，则是用石墨制的热流传导部32和α-碳制的热流控制部31构成的。
具体地说，使用热传导率为10W/m·K的α-碳作成为热流控制部31，由此可以使配置在晶片保持器3上的晶片2的热传导率和晶片保持器3的热传导率接近。InP晶片的热传导率为14.3W/m·K，所以α-碳的热传导率为其大约0.7倍。
另外，热流控制部31和热流传导部32的间隙在0.01～1mm的范围内并且是一样的，接触热阻为1.0×10-6m2K/W以上、1.0×10-1m2K/W以下。
通过作成这样的构成，从加热器5经由衬托器4以及晶片保持器3朝向晶片2的表面以及晶片保持器3表面的热传递路径中的热阻就变得相等，从而晶片2的表面和晶片保持器3表面达到大致相同温度。因此，可以避免因晶片2和晶片保持器3的表面温度的差异而导致的周缘部比中央部温度高的问题，从而晶片2的面内温度分布容易变得均匀。
又，热流传导部32的材质不仅限于石墨，例如也可以用钼、金、银等形成。另外，前述热流控制部除α-碳之外，还可以用氮化铝、石墨、硅、碳化硅、钼、热解氮化硼、氧化铝等形成。
气体排气管8设置在反应炉1的底面上。经由气体导入管7而从导入口导入到反应炉1内的原料气体在反应炉的上游侧被分解并流向下游侧，在晶片2上形成薄膜，未反应的原料气体则与载气一起经由排气口从气体排气管8向外部排出。
另外，尽管没有图示，但在例如旋转机构6的外周以及反应炉的下侧壁面的外壁上设置有水冷套，用这些水冷套以及加热器5来控制反应炉1内的温度。
在上述构成的气相生长装置100中，通过加热器5从衬托器4的下侧进行加热，由此使热量经由衬托器4、晶片保持器3传至晶片2，使晶片2上升到规定的温度。另外，通过旋转机构6使衬托器4以规定的转速旋转，由此从气体导入管7导入的原料气体和载气均等地供给到晶片2的表面，气相生长出薄膜。此时，晶片2的表面和晶片保持器3(热流控制部31)表面的温度大致相同，所以晶片2的面内温度分布变得均匀，从而可以气相生长出均匀性优良的薄膜。
以下，示出使用本实施例的气相生长装置进行关于热传导的模拟的结果，使本发明的特征之处更加明确。另外，使用以往的气相生长装置进行同样的模拟，作为比较例。
模拟是在上述气相生长装置100中，将晶片2及其附近模型化，通过利用有限体积法的3维热传导解析而进行的。又，本实施例中，使用由石墨制的热流传导部32和α-碳制的热流控制部31构成的晶片保持器3，在比较例中则是使用石墨制成的晶片保持器3。
图4是气相生长装置100的晶片2以及晶片保持器3(至从晶片2的外周向外10mm处)的概略解析模型图。在图4中，从晶片保持器3的底面至晶片2的距离为6.4mm。另外，晶片2是厚度为0.5mm、内径为50mm(2英寸)的InP晶片，反应炉1内为氢气气氛。另外，解析时的网格数为大约600万网格。
另外，晶片2和热流传导部32之间的接触热阻(R1g)、热流控制部31和热流传导部32之间的接触热阻(R2g)分别为2.0×10-4m2K/W。又，接触热阻R1g受互相接触的部件之间的平面度、表面粗糙度、物质的热扩散系数的影响，可以通过将接触面间的距离调整得较小，来使接触热阻R1g较小。
进而，作为解析条件，位于晶片2的上方35mm处的氢气气体边界面的边界条件为45℃，晶片保持器3的边界面(内面)的边界条件则为650℃。
又，氢气具有较低的普朗特数，所以热扩散优先于粘性扩散，另外在层流区域的雷诺数较低的区域内可以忽略平流的影响，所以在本模型的热传导解析中近似地作固体处理。
另外，在本解析中，使用下表1所示的物理参数。
表1
图5是表示作为实施例而使用了由热流控制部和热流传导部构成的晶片保持器3的情况下的晶片2以及晶片保持器3内部的温度分布的解析结果，图6是表示作为比较例而使用了石墨制的晶片保持器3的情况下的晶片2以及晶片保持器3内部的温度解析结果。又，在图5、图6中，将晶片2和晶片保持器3的边界部分放大，以使得解析结果明确。
另外，图7是表示实施例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果，图8是表示比较例中的晶片2和晶片保持器3的表面温度分布的解析结果。又，在图7、图8中，以晶片中心为0来表示直径方向的位置上的表面温度。
在实施例中，如图5所示，晶片2和热流传导部31中的温度梯度相等，在晶片2中为平行且均匀的等温线分布。另一方面，在比较例中，如图6所示，晶片2和晶片保持器3上部中的温度梯度显著不同，在晶片2中，温度从中央部向周缘部变高。由此可知，在本实施例中，虽然热传递路径不同，也可以同样地进行热传导。
另外，在实施例中，热阻比R2/R1为1.06，与其相对，在比较例中，热阻比R2/R1为0.24。
另外，在实施例中，如图7所示，晶片的表面温度和晶片保持器(热流控制部)的表面温度相同，都为大约634.0℃，与其相对，在比较例中，如图8所示，晶片的表面温度为大约636.0℃，晶片保持器表面温度为大约638.0℃，其差为大约2.0℃。即，对于晶片2的周缘部(22～25mm)的表面温度与中央部(0附近)的表面温度之差，实施例中较小，可知晶片2的面内温度分布改善得均匀了。
这样，在实施例中，晶片2周缘部的表面温度受到的晶片保持器3的表面温度的影响几乎没有了，所以可以将晶片2的面内温度分布保持得比较均匀。其结果，可以气相生长出在晶片2的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。
根据本实施例，在气相生长装置100中，用形成有用于收纳晶片的空部的热流控制部、和与该热流控制部接合并用于将热量传导至收纳在前述空部中的晶片的热流传导部构成晶片收纳部，使前述热流控制部和前述热流传导部之间的接触热阻为1.0×10-6m2K/W以上、5.0×10-3m2K/W以下，并且，用具有配置在前述热流传导部上的晶片的热传导率的0.5倍以上、20倍以下的热传导率的材质形成前述热流控制部，所以在热量从晶片收纳部的内面(热流传导部的内面)向晶片以及晶片收纳部的表面(热流控制部的内面)传递时，在各自的热传递路径中的热阻大致相等。
即，热传导是按照同样的热通量进行的，所以可以使晶片和晶片收纳体的表面的到达温度相同。因此，由于晶片周缘部的表面温度受到的晶片保持器的表面温度的影响变小，所以可以将晶片的面内温度分布保持得一致，其结果，可以起到下述效果，即可以气相生长出在晶片的面内全区域内具有良好的均匀性的薄膜。
产业上的可利用性在以上的说明中，主要是就本发明的背景即纵型高速旋转式的气相生长装置对本发明的发明人作出的发明进行了说明，但本发明并不限于此，也可以在一般的气相生长装置、例如面朝下方式、横型方式、自公转方式的气相生长装置中利用。
另外，不限于使用InP晶片的情况，在使薄膜在Si、GaAs、GaN、蓝宝石、玻璃、陶瓷晶片等上生长的情况下也是有效的。该情况下，也可以根据使用的晶片变更晶片保持器3(或者热流控制部31)的材质。
权利要求
1.一种气相生长装置，至少备有可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，其特征在于，前述晶片收纳体包括形成有用于收纳前述晶片的空部的热流控制部、与该热流控制部接合并用于将热量传递到收纳在前述空部中的晶片的热流传导部；在前述热流控制部和前述热流传导部邻接的平面以及曲面间存在均匀的热阻Rg。
2.如权利要求1所述的气相生长装置，其特征在于，从前述热流传导部的内面朝向前述晶片的表面的热传递路径的热阻R1与从前述热流传导部的内面朝向前述热流控制部的表面的热传递路径的热阻R2之比R2/R1为0.8以上、1.2以下。
3.如权利要求1或2所述的气相生长装置，其特征在于，前述热阻Rg为1.0×10-6m2K/W以上、5.0×10-3m2K/W以下。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的气相生长装置，其特征在于，前述热流控制部和前述热流传导部之间的间隙距离在0.001mm至1mm的范围内并且是一样的。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的气相生长装置，其特征在于，前述热流控制部用具有配置在前述热流传导部上的晶片的热传导率的0.5倍以上、20倍以下的热传导率的材质形成。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的气相生长装置，其特征在于，前述热流传导部用具有50W/mK以上、450W/mK以下的热传导率的材质形成。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的气相生长装置，其特征在于，前述热流控制部由无定形碳、氮化铝、石墨、硅、碳化硅、钼、热解碳化硼、氧化铝中的任何一种形成，前述热流传导部由钼、石墨、金、银中的任何一种形成。
8.一种气相生长方法，使用备有可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构的气相生长装置，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，其特征在于，使气相生长薄膜时的前述晶片收纳体表面和前述晶片表面的温度差为2℃以内。
全文摘要
本发明提供一种气相生长装置以及气相生长方法，所述气相生长装置至少备有可密闭的反应炉、设置在该反应炉内并用于将晶片配置在规定位置上的晶片收纳体、用于向晶片供给原料气体的气体供给机构、用于加热前述晶片的加热机构，在前述反应炉内，通过利用前述加热机构经由前述晶片收纳体加热晶片、并且在高温状态下供给原料气体，在前述晶片的表面上形成生长膜，前述晶片收纳体包括形成有用于收纳前述晶片的空部的热流控制部、与该热流控制部接合并用于将热量传递到收纳在前述空部中的晶片的热流传导部，使前述热流控制部和前述热流传导部的接触热阻为1.0×10
文档编号H01L21/205GK1628371SQ0282913
公开日2005年6月15日 申请日期2002年10月10日 优先权日2002年6月13日
发明者清水英一, 牧野修仁 申请人:株式会社日矿材料