JPH04349623A - 気相成長装置 - 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、主にＧａＡｓなどの
化合物半導体膜を基板上に成長させる有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）装置を対象としたものであり、装置の構
成として、導入された複数の化合物ガスからなる反応ガ
スが水平に流れる反応容器の底面が、被成膜基板が水平
に載置されるサセプタの基板載置面と同一平面に形成さ
れ、反応ガスを流しつつサセプタを加熱することにより
被成膜基板の表面に薄膜を成長させる気相成長装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】複数の化合物ガスからなる反応ガスを、
加熱された基板と平行に流して基板上で熱分解させ、熱
分解生成物を基板上に堆積させて基板上に所定の組成を
有する薄膜を成長させる気相成長装置には、構造的に大
別して、バレル型と水平反応管型とがある。バレル型は
、図５に示すように、基板１を装着するサセプタ３１が
バレル状に形成され、これを釣鐘状の反応容器３２内に
反応容器３２と同軸に配し、サセプタ３１をその中心軸
まわりに回軸させつつサセプタ３１と基板１とを加熱し
、かつ反応容器３２のガス導入口３２ａから反応ガスを
導入しながら基板１の表面に薄膜を成長させるものであ
る。

【０００３】一方、水平反応管型は、図８に示すように
、導入された反応ガスが水平に流れる反応容器３内で、
円板状または角型板状のサセプタ２に水平に載置されサ
セプタ２とともに加熱された基板１の表面に、反応ガス
の熱分解生成物を堆積させ、所定の組成の薄膜を成長さ
せるものである。基板１は、薄膜の膜厚，膜質を均一に
するためにその垂直軸まわりに回転させることがある。

【０００４】本発明が対象としている気相成長装置は、
後者の水平反応管型のものであり、反応容器３の底面は
、サセプタ２の基板載置面と同一平面に形成され、反応
容器３内へ導入された反応ガスは、基板１の表面を層流
状態で通過し、通過の際に基板１，サセプタ２の熱によ
り熱分解し、分解生成物が基板１の表面に堆積する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように構成され
る水平反応管型気相成長装置における問題点をより明ら
かにするために、まず、バレル型気相成長装置における
問題点と、その問題点解決のための、開示された手段に
つき説明する。

【０００６】バレル型気相成長装置においては、相対的
に細いガス導入管内をある速度で流れてきた反応ガスが
、ガス導入口から急激に広がる広い空間内へ流入するた
め、釣鐘状の反応容器の肩の部分に流れの澱みが生じる
。このため、反応ガスの種類を切り換えて別の組成の薄
膜をさきの薄膜上に成長させようとする場合、澱みに停
滞していたさきの反応ガスが、新たな反応ガスに混入し
、さきの薄膜と新たな薄膜との間に両者の中間の組成の
層が形成され、膜の組成が急峻に切り換わらないという
問題が生じる。

【０００７】この問題を解決するため、実開平１−１０
０４３１号公報では、図６に示すように、バレル形サセ
プタ３１上流側のドーム状キャップ３４と釣鐘状反応容
器３２の肩の部分との間に整流用リブを設け、リブのガ
ス流方向およびガス流と直角方向の断面を、ともに、両
側へ凸な凸レンズの断面に類似な形状とし、このリブの
ガス流に直角方向の厚みの変化により、ガスを、バレル
型サセプタと反応容器との中間部よりもサセプタ側およ
び反応容器側へ多く流して反応容器の肩の部分の澱みを
なくし、かつガス流方向のリブの厚みの変化により、リ
ブより上流側では乱流であったガス流を、リブを通過す
る際に層流化して、基板面を層流状態で通過させるよう
にしている。

【０００８】また、特開平２−２７８７１７号公報では
、図７に示すように、バレル状サセプタ上流側のドーム
状キャップ３４と反応容器３２のガス導入口との間を、
面積の大きい，細孔が均一に分散して形成されたディフ
ューザ３６で仕切り、ディフューザ３６上流側の空間に
反応ガスを一旦溜め、ディフューザ３６から反応ガスを
一様に低速度で流出させ、これにより、反応容器３２の
肩の部分の澱みを少なくするとともに、サセプタ３１と
反応容器３２との間に内管３７を設け、反応ガスの種類
を切り換えたときに、反応容器３２の肩の部分に停滞し
ていたさきの反応ガスが内管３７の外側を流れるように
して、薄膜の組成を急峻に切り換えるようにしている。

【０００９】一方、本発明が対象としている，反応容器
の底面がサセプタの基板載置面と同一平面内にあって反
応ガスが基板面を層流状態で通過するように意図した水
平反応管型気相成長装置では、当然のことながら、基板
面を通過するガス流中に渦を巻き込むことのないよう、
反応容器全体が、反応容器内の全空間にわたり澱みを生
じないように形成される。すなわち、図８に示すように
、水平に置かれた反応容器３の反応ガス導入口３ａから
流入した反応ガスは、流路断面が徐々に広がる，サセプ
タ２より上流側の反応容器部分で徐々に広がりながら流
路断面が一定の反応容器部分に入り、この部分で全量が
基板１と平行な流れとなって基板１を通過する。反応ガ
スは反応容器３の上流側で徐々に広がるため、流路断面
一定の下流側反応容器部分への移行部近傍でも澱みを作
らず、またサセプタ２の上面と反応容器３の底面とは同
一平面内にあるので、反応ガスは、サセプタ位置を渦を
含まない層流状態で通過する。従って、反応ガスの種類
を切り換えたとき、基板上の薄膜の組成は急峻に切り換
わる。

【００１０】ところで、従来の気相成長装置では、上記
いずれの装置でも、反応ガスを構成する複数の化合物ガ
スは、反応容器内へ導入される前に、別置のミキサによ
り混合され、このミキサから配管を介して反応容器に導
入されていた。化合物半導体膜を形成する際の化合物ガ
スの１つとなる，水素キャリアガスのバブリングによっ
てガス化される液状の有機金属（ＩＩＩ　族元素のアル
キル化物）は、その所定の蒸気圧をもってＶ族元素の水
素化物と混合されるよう、貯溜槽内で数１０℃の温度に
保たれ、短い配管を通してミキサへ送られる。そして、
ミキサ内でＶ族元素の水素化物と混合された後、配管を
通って反応容器に到達したときに所定の蒸気圧を保持す
るよう、配管の途中で加熱される。このため、配管内で
は極めて微量ながら、基板上と同様の反応が生じており
、長期間使用中に配管の内壁面に堆積した熱分解生成物
が剥離して、基板上の薄膜にパーティクル汚染をもたら
す恐れがある。また、配管の加熱系の異常により、この
現象が加速されることもありうる。

【００１１】この発明の目的は、反応容器内へ導入され
る反応ガスにより基板上の薄膜が汚染されることのない
気相成長装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、本発明が対象とした気相成長
装置、すなわち、導入された複数の化合物ガスからなる
反応ガスが水平に流れる反応容器の底面が、被成膜基板
が水平に載置されるサセプタの基板載置面と同一平面に
形成され、反応ガスを流しつつサセプタを加熱すること
により被成膜基板の表面に薄膜を成長させる気相成長装
置を、該反応容器本体の反応ガス導入口に、流入したガ
スの流路断面を絞る絞り孔を有する絞り板と，絞り板の
絞り孔を通過したガスを拡散させる拡散空間とからなる
ガス混合部をガス流の方向に１段または多段に有すると
ともに最下流側ガス混合部の下流側に最下流側ガス混合
部から流出したガスを層流状の流れにする整流部を備え
たガス混合手段が直接接続している装置とする。

【００１３】さらに、このガス混合手段を、該ガス混合
手段が、パイプと，パイプ内の上流側にパイプの軸方向
に間隔をおいて１段または多段に配される１個または複
数個の絞り板と，パイプ内で最下流側の絞り板の下流側
に位置し底面が該絞り板と間隔をおいて対向する三角錐
等の錐状体とからなり、ガスが拡散する拡散空間が絞り
板相互間およびまたは絞り板と錐状体底面との間に形成
され、最下流側ガス混合部から流出したガスを層流状の
流れにする整流部が、錐状体の底面より下流側の錐状体
斜面とパイプの内壁面とで形成される構成とすれば好適
である。

【００１４】さらに、この構成によるガス混合手段にお
いて、パイプ内の上流側に配される絞り板を１個とする
とともに、絞り板の絞り孔の総断面積を、絞り孔より上
流側の流路断面積の１／１０以下としたガス混合手段と
すればさらに好適である。

【００１５】また、上記構成によるガス混合手段は、目
的に応じ、パイプと，絞り板と，錐状体とを、石英ガラ
スからなる一体成形品中の部分として形成するか、絞り
板と錐状体とを金属を用いて一体に形成してこれを石英
ガラスからなるパイプに挿入したものとするかするよう
にすれば好適である。

【００１６】

【作用】このように、気相成長装置を、ガス混合手段が
反応容器の反応ガス導入口に直接接続した装置とするこ
とにより、ガス混合手段から反応容器までの配管がなく
なり、反応容器の反応ガス導入口直前まで、化合物ガス
の熱分解に伴う反応生成物の生成がなく、基板上に形成
された薄膜のパーティクル汚染の機会が著しく少なくな
る。また、ガス混合手段に導入された複数の化合物ガス
は、絞り板の小さい絞り孔から背後の拡散空間内へ噴出
する際に四方へ急激に拡散して互いに混じり合い、ガス
の混合が効果的に行われ、基板表面に均一な組成の膜を
形成することができる。

【００１７】しかし、一方、拡散空間内のガス中には、
その混合過程中に形成された多数の渦が含まれ、これが
直接反応容器内へ導入されると、品質の安定した薄膜を
得る上で好ましくない。そこで、最下流側のガス混合部
の下流側に整流部を配し、最下流側ガス混合部から流出
したガスを、渦を含まない層流として反応容器内へ送り
込むようにすれば、従来のミキサから反応容器に到る配
管のもつガス層流化の機能（配管がその長い道程により
渦のエネルギーを失わせる機能）を、ガス混合手段の整
流部に引き受けさせることができる。

【００１８】そこで、この構成原理に基づくガス混合手
段の具体構造を、パイプと，パイプ内の上流側にパイプ
の軸方向に間隔をおいて１段または多段に配される１個
または複数個の絞り板と，パイプ内で最下流側の絞り板
の下流側に位置し底面が該絞り板と間隔をおいて対向す
る三角錐等の錐状体とで構成した構造とし、ガスが拡散
する拡散空間が絞り板相互間およびまたは絞り板と錐状
体底面との間に形成され、最下流側ガス混合部から流出
したガスを層流状の流れにする整流部が、錐状体の底面
より下流側の錐状体斜面とパイプの内壁面とで形成する
ようにすれば、拡散空間で渦を発生した反応ガスが、錐
状体底面周縁とパイプとの間の狭いリング状の流路から
反応容器へ向かって徐々に流路断面を拡げるから、リン
グ状の挟い流路を通ることにより渦が大半消滅した反応
ガスは、その流れの道程で残余の渦を消滅させつつ渦を
含まない層流状態で反応容器内へ流入する。

【００１９】そして、前述のガス混合手段の具体構造に
おいて、パイプ内の上流側に配される絞り板を１個とし
、かつ絞り板の絞り孔の総断面積を、絞り孔より上流側
の流路断面積の１／１０以下とすれば、実施例の項で説
明するように、複数の化合物ガスが実用上十分均一に混
合される。従って、必要とする反応ガスの流量により、
ガス混合部を多段に形成することなく、ガス混合手段を
簡易な構造に形成することができる。

【００２０】気相成長装置では、できるだけ膜厚，膜質
の均一な膜形成を行わせるために、基板温度の均一化や
最適化、基板のその軸を中心とした回転および反応ガス
流量の最適化が行われるが、これらの条件が確定した後
、これらの条件の変更がないものでは、装置の各部材は
できるだけ構造が簡単で安価な部材とすることが望まし
い。ガス混合手段も、パイプ，絞り板，錐状体がそれぞ
れ、石英ガラスからなる一体成形品中の部分として形成
されるものとすれば、鋳型を利用して安価に製作するこ
とができる。

【００２１】また、絞り板と錐状体とを金属を用いて一
体に形成し、これを石英ガラスからなるパイプに挿入す
るガス混合手段とすれば、各種成膜条件の変更に対応し
た絞り孔の径や数、あるいは錐状体底面の大きさなどの
変更が容易に可能となる。

【００２２】

【実施例】図１に本発明による気相成長装置構成の一実
施例を示す。反応容器１４は、外容器１６と内容器１５
とによる２重構成の容器として形成され、外容器１６は
気密容器として、また内容器１５は、反応ガス導入口１
４の側から流れの方向に幅が扇状に広がり、天井面が緩
やかな傾斜をもつ，流路断面が方形の内容器部分１５Ａ
と、流れの方向に一定の方形流路断面をもつ内容器部分
１５Ｂとからなり、外容器１６の底面上に両内容器部分
１５Ａ，１５Ｂが突き合わされた状態で載置され、各内
容器部分は、装置運転中もその自重で載置位置を保持す
る。内容器１５の底面上面は、基板１が載置されるサセ
プタ２の基板載置面と同一平面内にあり、また、サセプ
タ２はヒータ８の上面に取り付けられ、駆動モータ１２
により、歯車１１を介してヒータ８とともに回転駆動さ
れる。

【００２３】反応容器１４の反応ガス導入口１４ａには
、本発明によるガス混合手段５が接続され、このガス混
合手段５に、図示されないそれぞれの貯溜槽から、水素
キャリアガスによりガス化されたＩＩＩ　族元素のアル
キル化物（ここではＧａ（ＣＨ３）３）　とＶ族元素の
水素化物（ここではＡｓＨ３）　とがそれぞれの管路を
通して供給される。 これらの化合物ガスは、ガス混合手段５により混合され
層流状態で内容器１５内へ導入され、内容器１５内を実
線の矢印の方向に層流状態で流れ、排気フランジ４の排
気口７から排出される。

【００２４】成膜時には、サセプタ２をヒータ８で加熱
しながら駆動モータ１２で回転駆動し、ガス混合手段５
で混合され層流に整流された化合物ガスを内容器１５内
へ導入するとともに、スィープガスとして水素ガス，窒
素ガスあるいは不活性ガスを外容器１６と内容器１５と
の間に導入して、内容器１５内を流れる反応ガスの内容
器外部への洩れ出しを防止する。反応ガスは内容器１５
内で澱みや渦を作ることなく基板面を層流状態で通過し
、通過の際に加熱されて熱分解し、熱分解生成物が基板
上に堆積して所定の組成を有する薄膜を形成する。

【００２５】図２に、本発明によるガス混合手段構造の
第１の実施例を示す。この実施例では、ガス混合手段は
、石英ガラスからなる一体成形品として形成され、その
パイプ部分（以下パイプと記す）５１内の上流側には、
中心に絞り孔を有する絞り板５２が１個形成され、絞り
板５２の下流側には、円錐状の錐状体５３がリブを介し
てパイプ５１の内側に支持されている。絞り板５２の絞
り孔の径は、断面積が絞り孔の上流側の流路断面積の１
／１０以下となる大きさに設定され、また、絞り板５２
の下流側の面と錐状体５３の底面との間には、絞り孔で
絞られた反応ガスが四方へ急激に拡散する拡散空間が形
成されている。

【００２６】ガス混合手段５に流入した複数の混合ガス
は、絞り板５２の絞り孔で流路断面を絞られて拡散空間
内へ噴出する際に、四方へ急激に拡散して均一に混合さ
れる。混合された化合物ガスは、錐状体５３の底面周縁
とパイプ５１の内壁面との間の狭いリング状ギャップに
入り、このリング状ギャップから、拡散空間内で発生し
た渦が大半消滅した状態で流出し、錐状体５３の斜面と
パイプ５１の内壁面との間で流路断面を徐々に広げかつ
消滅しきれなかった渦を流れの道程で消滅させながら渦
を含まない層流状態で反応容器内へ流入する。

【００２７】図３に、本発明によるガス混合手段の第２
の実施例を示す。この実施例では、絞り板５２と錐状体
５３とがステンレス鋼により一体に形成され、石英ガラ
スからなるパイプ５１に挿入される。絞り板５２は、底
面に絞り孔が形成されるシリンダとして形成され、この
底面に複数の絞り孔が、その総断面積がシリンダ部の流
路断面積の１／１０以下となるように形成されている。

【００２８】図４に、ガス混合手段の絞り板を１個とし
た場合の絞り孔の総断面積を、絞り孔より上流側流路断
面積の１／１０以上として２インチ径の基板に基板を回
転させないで薄膜を形成した場合の膜厚分布の一例と、
１／１０以下とした場合の薄膜の膜厚分布の一例とを示
す。同図（ａ）は前者の場合を示し、膜厚が流れと直角
方向に左右対称とならず、一方へ片寄って分厚く、反対
方向へ膜厚が急に低下する膜厚分布となっている。これ
に対し、後者の場合には、同図（ｂ）に示すように、膜
厚は流れと直角方向に左右対称に、かつ均一に形成され
、絞り孔総断面積の上流側流路断面積に対する比の，混
合度に対する影響が、膜厚分布の形で現れている。

【００２９】

【発明の効果】本発明では、気相成長装置を以上のよう
に構成したので、以下に記載する効果が得られる。

【００３０】請求項１の装置では、複数の化合物ガスを
混合するガス混合手段が、装置の反応容器本体の反応ガ
ス導入口に直接接続され、化合物ガスがそれぞれの貯溜
槽からそれぞれの短い配管を介して互いに独立にガス混
合手段に導入されるから、従来のように、反応容器より
上流側の加熱もしくは保温された配管内で微量ながらも
熱分解して互いに結合し配管内壁に付着するような反応
生成物が生じなくなり、その剥離による基板へのパーテ
ィクル汚染の機会が著しく減少し、形成される薄膜の品
質が高いレベルに均一化れる。加えて、従来のガス混合
手段から反応容器に到る配管とその加熱もしくは保温装
置とが省略され、化合物ガスの貯溜槽を含む装置全体の
コストが低減される。

【００３１】さらに、ガス混合手段におけるガス混合部
は、流入したガスの流路断面を絞る絞り孔を有する絞り
板と、絞り孔を通過したガスを拡散させる拡散空間とで
構成されているため、ガスの混合が効果的に行われ、か
つ、均一に混合されたガスが下流側の整流部で層流化さ
れるため、本発明の構成によるガス混合手段は、膜厚，
膜質の均一な膜形成を可能にする。

【００３２】請求項２の装置では、ガス混合手段が単純
な構造に形成され、請求項１におけるコスト面の効果が
減殺されることなく保持される。

【００３３】請求項３の装置では、ガス混合手段が、請
求項２の構成に基づく最も単純化された構造で形成され
、請求項２におけるコスト保持の効果が補強される。

【００３４】請求項４の装置では、ガス混合手段が安価
に形成され、ガス流量等、成膜条件が変らない装置の場
合、わずかではあるが、装置をより安価に構成させる効
果がある。

【００３５】請求項５の装置では、ガス混合手段の絞り
孔の径や数などが容易に変更でき、ガス流量等、成膜条
件が変わる装置の場合、成膜条件全体の変更をより迅速
に行わせる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による気相成長装置構成の一実施例を示
す図であって、同図（ａ）は平面断面図，同図（ｂ）は
側面部分断面図

【図２】本発明によるガス混合手段構成の第１の実施例
を示す縦断面図

【図３】本発明によるガス混合手段構成の第２の実施例
を示す縦断面図

【図４】本発明によるガス混合手段を構成する絞り板を
１個とした場合の絞り孔の総断面積によるガス混合度の
差異を膜厚分布の形で示す図であって、同図（ａ）は絞
り孔の総断面積を絞り孔より上流側の流路断面積の１／
１０とした場合の一例を示す膜厚分布図、同図（ｂ）は
１／１０以下とした場合の一例を示す膜厚分布図

【図５
】化合物半導体膜を基板上に成長させる気相成長装置の
，本発明が対象とする型とは別の型の構成原理図

【図６
】図５の型の気相成長装置における問題点解決のための
装置構成を示す模式図

【図７】図５の型の気相成長装置における問題点解決の
ための別の装置構成を示す模式図

【図８】本発明が対象とする気相成長装置の構成原理図

【符号の説明】

１　　　　基板（被成膜基板） ２　　　　サセプタ ５　　　　ガス混合手段 １４　　　　反応容器 １５　　　　内容器 １５Ａ　　内容器部分 １５Ｂ　　内容器部分 １６　　　　外容器 ５１　　　　パイプ ５２　　　　絞り板 ５３　　　　錐状体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導入された複数の化合物ガスからなる反応
   ガスが水平に流れる反応容器の底面が、被成膜基板が水
   平に載置されるサセプタの基板載置面と同一平面に形成
   され、反応ガスを流しつつサセプタを加熱することによ
   り被成膜基板の表面に薄膜を成長させる気相成長装置に
   おいて、前記反応容器本体の反応ガス導入口に、流入し
   たガスの流路断面を絞る絞り孔を有する絞り板と，絞り
   板の絞り孔を通過したガスを拡散させる拡散空間とから
   なるガス混合部をガス流の方向に１段または多段に有す
   るとともに最下流側ガス混合部の下流側に最下流側ガス
   混合部から流出したガスを層流状の流れにする整流部を
   備えたガス混合手段が直接接続していることを特徴とす
   る気相成長装置。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の気相成長装置におい
   て、ガス混合手段が、パイプと，パイプ内の上流側にパ
   イプの軸方向に間隔をおいて１段または多段に配される
   １個または複数個の絞り板と，パイプ内で最下流側の絞
   り板の下流側に位置し底面が該絞り板と間隔をおいて対
   向する三角錐等の錐状体とからなり、ガスが拡散する拡
   散空間が絞り板相互間およびまたは絞り板と錐状体底面
   との間に形成され、最下流側ガス混合部から流出したガ
   スを層流状の流れにする整流部が、錐状体の底面より下
   流側の錐状体斜面とパイプの内壁面とで形成されること
   を特徴とする気相成長装置。
3. 【請求項３】請求項第２項に記載の気相成長装置におい
   て、ガス混合手段のパイプ内の上流側に配される絞り板
   を１個とするとともに、絞り板の絞り孔の総断面積を、
   絞り孔より上流側の流路断面積の１／１０以下としたこ
   とを特徴とする気相成長装置。
4. 【請求項４】請求項第２項または第３項に記載の気相成
   長装置において、パイプと絞り板と錐状体とからなるガ
   ス混合手段は、パイプ，絞り板，錐状体がそれぞれ、石
   英ガラスからなる一体成形品中の部分として形成される
   ことを特徴とする気相成長装置。
5. 【請求項５】請求項第２項または第３項に記載の気相成
   長装置において、パイプと絞り板と錐状体とからなるガ
   ス混合手段は、絞り板と錐状体とが金属を用いて一体に
   形成され、石英ガラスからなるパイプ内に挿入されてな
   ることを特徴とする気相成長装置。