JP2005243964A - 化学気相成長装置および化学気相成長方法 - Google Patents

化学気相成長装置および化学気相成長方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 原料の利用効率が高い化学気相成長装置および化学気相成長方法を提供する。
【解決手段】 化学気相成長装置1は、成長室を画成する外壁10、被処理基板を保持する基板保持部材22、対向部材24、および被処理基板に反応ガスを供給するガス供給部30を備えている。外壁10により画成される成長室には、基板保持部材22、およびそれに保持される基板SBに対向するように対向部材24が設けられている。ガス供給部30は、供給管32a、32b、34を有し、これらは、それぞれから供給される反応ガスが互いに混合し合う前に基板SBに供給されるように、基板上部空間側方の相異なる方向から反応ガスを供給する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、化学気相成長装置および化学気相成長方法に関するものである。
従来の化学気相成長装置としては、例えば特許文献1、2に記載されたものがある。特許文献1に記載された成長装置を図11に示す。この成長装置101は、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いた窒化ガリウム系半導体の成長装置であり、フランジ110により密閉された結晶成長容器108と、HClガスを導入するための第1の導入管103と、NHガスを導入するための第2の導入管102と、基板106を保持する基板保持具105とから構成されている。また、結晶成長容器108の側面にはガスの排気口107が穿設されており、第1の導入管103にはGa原料を載置する原料載置部109が設けられている。さらに、結晶成長容器108の外周には、結晶成長容器108内の空間を加熱する抵抗加熱ヒータ104が設けられている。同文献記載のハイドライド気相成長装置では、GaとHClとを反応させてIII族原料ガスとなるGaClを生成させた後、これをNHで満たされた空間に供給し、かかる空間において、III族原料ガスのGaClとV族原料ガスのNHとを反応させ、その生成物であるGaNを基板表面に堆積させる。
また、特許文献2に記載された成長装置においては、サセプタ上の基板表面に平行な方向から反応ガスが供給されると同時に、基板表面に垂直な方向から、反応ガスの方向を変更するための押圧ガスが噴射される。
特開2002−305155号公報 特開平4−164895号公報
しかしながら、特許文献1、2に記載の化学気相成長装置は、何れも原料の利用効率の点で改善の余地を有している。すなわち、供給される反応ガスのうち実際に気相成長に寄与するガスの割合は、必ずしも充分に高いものではない。
たとえば、特許文献1記載の装置では、III族原料ガスとV族原料ガスとが基板に到達する前に互いに混合するため、気相中における反応の割合が大きい。供給される反応ガスのうち気相中で反応した分は気相成長に寄与しないため、特許文献1記載の装置では、原料の利用効率が低くなってしまうことがあった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、原料の利用効率が高い化学気相成長装置および化学気相成長方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明によれば、基板を保持する基板保持部材と、前記基板に第1反応ガスを供給する第1供給部と、前記基板に、前記第1反応ガスと反応する第2反応ガスを供給する第2供給部と、を有し、前記第1供給部および前記第2供給部は、それぞれ前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスを、前記基板に対し相異なる方向から独立に供給することを特徴とする化学気相成長装置が提供される。
また本発明によれば、基板の表面に対し、第1反応ガスおよび第2反応ガスを、それぞれ前記基板に向けて相異なる方向から独立に供給し、これらの反応ガスを反応させて前記表面に膜を成長させることを特徴とする化学気相成長方法が提供される。
本発明においては、ガス供給部から供給される第1反応ガスおよび第2反応ガスは、それぞれ独立に基板表面に供給される。したがって、基板の上部空間の外における反応が抑制されるため、供給される反応ガスは、基板上の気相成長に高い割合で寄与することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長を実現することができる。
本発明において、前記第1供給部および前記第2供給部のうち少なくとも一方が、前記基板の表面近傍に向けて直接、反応ガスを供給するように構成してもよい。こうすることにより、基板の上部空間の外における反応をより効果的に抑制することができる。なお、第1供給部および第2供給部は、基板に反応ガスを供給する部材の総称であり、種々の態様をとり得る。たとえば、当該装置に設けられた反応ガスの供給口や、当該装置に連通する供給管等をいい、供給口から導入された反応ガスを基板表面まで導く部材を含んでもよい。
第1供給部および第2供給部は、それぞれ第1反応ガスおよび第2反応ガスを、基板の上部空間側方の相異なる方向から基板に供給するようにしてもよい。こうすることにより、基板の上部空間の外における反応をより効果的に抑制することができる上、基板表面における反応ガスの流動状態を好適に調整し、成長効率を向上させることができる。
第1反応ガスおよび第2反応ガスが、基板の表面に沿って供給されるように構成してもよい。たとえば、第1供給部および第2供給部が、それぞれ基板表面に向け、基板表面に対して水平方向の反応ガス流を形成するように構成してもよい。こうすることにより、基板表面に良好なガス流動状態が実現され、成長効率が向上する。
本発明において、基板保持部材により保持される基板に対向する位置に配置され、基板の上部空間の高さを制限する対向部材を備える構成とすることができる。また、基板保持部材により、一対の基板が成長面を内側にして対向配置され、この一対の基板によって規制された空間に第1反応ガスおよび第2反応ガスが供給されるように構成することもできる。こうすることにより、基板上部の限られた空間に反応ガスが効率良く供給され、ガス供給部からの反応ガスが供給される空間も基板の表面近傍に局限されるため、供給される反応ガスは、基板上の気相成長に高い割合で寄与することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長装置が実現される。対向部材と基板との間の距離は、調整可能に構成してもよい。こうすることにより、反応種、反応ガス流量等の反応条件等に応じて上記距離を適宜に調整でき、反応ガス利用効率を安定的に向上させることが可能となる。
ここで、上記対向部材は、反応ガスの流動状態を制御する流動制御部材としての機能をも有する。特に、基板と対向する面を基板面と略平行な面とすることにより、第1反応ガスおよび第2反応ガスの流動状態が好適に制御される。前述の特許文献2に記載の技術では、押圧ガスで反応ガスを基板表面に押しつけることにより効率的な反応を実現しているが、この場合、反応ガスの流れが乱れることが懸念される。これに対し、上記対向部材を用いた構成では、反応ガスの流動状態を好適に制御しつつ反応空間を制限することができ、より一層効率的な成膜を実現できる。
化学気相成長装置は、直接にまたは基板保持部材を介して基板を加熱する基板加熱手段を備えていてもよい。この場合、基板の表面近傍を所望の反応温度に効率良く加熱することができる。また、基板の表面近傍が主に加熱されるため、基板の表面近傍における反応が促進され、それゆえ原料の利用効率が一層向上する。
基板の上部空間の高さが、基板が載置される基板載置台の直径以下となるようにしてもよい。この場合、従来の化学気相成長装置に比して基板の上部空間が局限される。したがって、ガス供給部からの反応ガスが供給される空間も基板の表面近傍に局限されるため、供給される反応ガスは、基板上の気相成長に一層高い割合で寄与することになる。このため、原料の利用効率が一層高い化学気相成長装置が実現される。
本発明において、当該化学気相成長装置は、基板上に化合物半導体からなる膜を成長させる装置であって、前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスは、前記化合物半導体を構成する元素の原料ガスである構成とすることができる。
また、当該化学気相成長装置は、ハイドライド気相成長による成長を行う装置であって、前記第1反応ガスはIII族元素のハロゲン化物を含む反応ガスであり、前記第2反応ガスはV族原料ガスを含む反応ガスである構成とすることができる。
こうした装置、特にハイドライド気相成長装置においては、基板への供給前段階、すなわち供給前の段階である混合の段階における反応ガスの消費が成膜効率の低下をもたらす重要な因子となっていることが本発明者の検討により明らかになった。上記構成によれば、こうした基板への供給前段階における反応ガスの消費が効果的に抑制され、成膜効率を向上させることができる。
本発明において、第1反応ガスおよび第2反応ガスは、互いに90°以上180°以下をなす方向から供給されるようにしてもよい。ここで、第1反応ガスと第2反応ガスとがなす角度は、それぞれの供給管から噴出された直後の両反応ガスの速度ベクトル同士がなす角度で定義される。
本発明において、基板載置台が円盤状であって、当該化学気相成長装置は、基板載置台と略等しい内径を有し、当該装置の側壁に、第1供給部および第2供給部がそれぞれ独立に設けられた構成とすることができる。
本発明によれば、原料の利用効率が高い化学気相成長装置および化学気相成長方法が実現される。
以下、図面を参照しつつ、本発明による化学気相成長装置および化学気相成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
第1の実施の形態
図1は、本発明による化学気相成長装置の一実施形態を示す一部切欠き斜視図である。化学気相成長装置1は、外壁10、基板保持部材22(基板載置台)、対向部材24、およびガス供給部30を備えている。本実施形態においては、HVPEによりAlGaNを成長させる場合を例にとって説明する。III族原料ガスとなるハロゲン化合物の生成温度は850℃程度であり、III族原料ガスおよびV族原料ガスの反応温度は1000℃以上である。
外壁10は、円筒状をしており、成長室を画成している。なお、図1においては、その内部を示すため、外壁10の一部を切り欠いて示している。外壁10の材料としては、例えばステンレスを用いることができる。外壁10の内面は、外壁10の腐食や損傷等を防ぐ保護壁12で覆われている。保護壁12の材料としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素又は窒化アルミニウム等のセラミックスを用いることができる。
外壁10により画成される成長室には、被処理基板を保持する基板保持部材22が設けられている。基板保持部材22は略円柱状をしており、その中心軸は円筒状の外壁10の中心軸と一致している。また、基板保持部材22の直径は外壁10の内壁に略一致し、その側面は保護壁12に接している。この基板保持部材22は、図示しない回転駆動手段により、その中心軸を回転軸として回転することができる。基板保持部材22の材料としては、例えば、炭化ケイ素、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素でコーティングされたカーボン等を用いることができる。また、基板保持部材22の表面は、基板を載置する載置面22aとなっている。なお、基板保持部材22として、着脱可能なキャリアトレーを用いてもよい。
図2は、基板保持部材22の載置面22aを示す平面図である。図に示すように、載置面22aには3枚の基板SBが載置されている。本実施形態において3枚の基板SBは、載置面22aの中心に重心をもつ正三角形の各頂点に対応する位置に配置されている。
図1に戻って、基板保持部材22の載置面22a側には、載置面22a上に載置される基板SBに対向するように対向部材24が設けられている。対向部材24は、基板SBに対向する位置に配置され、基板SBに対して略平行な面を有し、反応ガスの流動状態を制御する流動制御部材としての機能を有する。なお、図1においては、その内部構造を示すため、対向部材24の一部を切り欠いて示している。
本実施形態において対向部材24は、その形状、大きさおよび材質共に、基板保持部材22と同一である。すなわち、対向部材24は、円柱状をしており、その中心軸は基板保持部材22の中心軸の延長線上にある。また、対向部材24における基板保持部材22に対向する側の表面は、基板SBの載置面24aとなっている。この載置面24a上にも、上述の載置面22a(図2参照)と同様に、3枚の基板SBが載置される。したがって、本実施形態に係る化学気相成長装置1においては、6枚の基板SBを同時に処理することができる。さらに、対向部材24も、基板保持部材22と同様に、図示しない回転駆動手段により、その中心軸を回転軸として回転することができる。
また、対向部材24は、所定の間隔を置いて、基板保持部材22およびそれに保持される基板SBと対向しており、これにより基板保持部材22に保持される基板SBの上部空間(以下、適宜「基板上部空間」と呼ぶ)の高さを制限している。すなわち、基板保持部材22に保持される基板SBと対向部材24との間隔が、基板上部空間の高さを定める。この対向部材24は、その中心軸方向に移動することができ、それゆえ基板保持部材22上の基板SBに対して相対的に移動可能となっている。したがって、対向部材24を移動させることにより、基板上部空間の高さを適宜調整することができる。対向部材24の移動は、対向部材24に接続される駆動手段(図示せず)により行われる。対向部材24は、基板上部空間の高さをh、基板保持部材22の直径をxとした場合、0<h≦5xの範囲で移動可能とされている。なお、基板上部空間の高さは、好ましくは基板保持部材22の直径以下、より好ましくは基板保持部材22の直径の0.5倍以下、さらに好ましくは基板保持部材22の直径の0.3倍以下に設定される。
図に示すように、対向部材24の内部には、電熱器26が備えられている。この電熱器26は、対向部材24の載置面24aを直接に加熱する対向部材加熱手段である。電熱器26の電極26aに印加する電圧値を調整することにより、載置面24aおよびそれにより保持される基板SBの温度を所望に設定することができる。なお、対向部材24の載置面24aには、図示しない温度センサが取り付けられている。また、基板保持部材22の内部構造も対向部材24と同様であり、すなわち基板保持部材22の内部にも、基板保持部材22の載置面22aを直接加熱する基板加熱手段としての電熱器が備えられている。この電熱器により、基板保持部材22の載置面22aを介して、その上に載置される基板SBを加熱することができる。
ガス供給部30は、III族元素のハロゲン化物を含む反応ガスを供給する供給管32a、32b(第1供給管)、およびV族原料ガスを含む反応ガスを供給する供給管34(第2供給管)を有している。本実施形態において具体的には、供給管32a、32b、34は、それぞれAlCl、GaClおよびNHを供給するものである。これらの反応ガスは、基板SB上に堆積する膜を生成する主反応の反応前物質であり、成膜する化合物半導体を構成する元素の原料ガスである。
供給管32a、32b、34は、外壁10に連設されており、それらの噴出口は、基板保持部材22と対向部材24とで挟まれる上述の基板上部空間に面している。したがって、各噴出口から噴出する反応ガスは、基板上部空間に側方から入り込み、基板SBに供給される。また、供給管32a、32b、34は、外壁10の中心軸方向から見て放射状に延びており、それぞれから供給される反応ガスが互いに混合し合う前に基板SBに供給されるように、基板SBの基板面に沿って、相異なる方向から反応ガスを供給する。本実施形態においては、外壁10の中心軸方向について、各噴出口の高さと基板上部空間の高さとは略等しい。また、反応ガスの流量は、例えば、GaClについては10sccm程度、AlClについては10sccm程度、NHについては100sccm程度とされる。なお、図1においては図示しない、不要な反応ガスを排出するための排出管36、及びドーパントガスを供給する供給管38も外壁10に連設されている(後述する図3参照)。
図3は、図1に示す化学気相成長装置1における基板保持部材22の載置面22aに平行な断面図である。この断面図は、供給管32a、32b、34の空洞部および基板上部空間を通る平面を切断面としている。この図からわかるように、供給管32a、32bと供給管34とは、略正反対の方向から基板上部空間に反応ガスを噴出する。すなわち、それぞれの噴出口から噴出された直後の反応ガスの速度ベクトル同士がなす角度(0°以上180°以下で定義する)は略180°となる。なお、この角度は、好ましくは90°以上、より好ましくは120°以上とされる。また、図3においては、ドーパントガス用の供給管38は1つだけ示されているが、ドーパントの種類により必要に応じて複数の供給管38を設けてもよい。
図4(a)〜図4(c)は、図3の第1供給管(供給管32a、32b)と第2供給管(供給管34)との位置関係の例を説明するための図である。これらの図において、矢印は、各供給管から噴出された直後の反応ガスの速度ベクトルを示している。図4(a)は、上述の角度が120°の場合の例である。また、図4(b)および図4(c)は、同角度が180°の場合の例である。図4(b)の場合、両供給管の噴出口同士が対向しており、両供給管から噴出された直後の反応ガスの速度ベクトルは同一直線上に乗っている。一方、図4(c)の場合、両供給管からの反応ガスの速度ベクトルは、相異なる直線上に乗っている。
供給管32a、32bは、噴出口の他端において、それぞれIII族原料ガス(ハロゲン化ガス)を生成するハロゲン化物生成室に連通している。具体的には、供給管32aはAlClを生成するための生成室に、供給管32bはGaClを生成するための生成室に連通している。また、供給管34は、噴出口の他端において、III族原料ガスとの反応前にV族原料ガスを加熱するための予備加熱部(図示せず)に連通している。
図5は、上述のハロゲン化物生成室の構成例を示す概略図である。ハロゲン化物生成室40は、その排出口40aが供給管32a、32bと連設されている。このハロゲン化物生成室40は、ハロゲンガス供給管42およびキャリアガス供給管44を備えるとともに、AlあるいはGa等のIII族原料46を収容するソースボート48を含んでいる。生成されたIII族原料ガスは、ハロゲン化物生成室40の排出口40aを通って上述の供給管32a、32bに供給される。基板表面の近傍では、III族原料ガスのGaClやAlCl(或いはAlCl)とV族原料ガスのNHとが反応し、その生成物であるGaNやAlN、AlGaNが基板表面に堆積させる。
続いて、本実施形態の効果を説明する。
化学気相成長装置1においては、ガス供給部30から供給される複数の反応ガスは、互いに混合する前に基板SBに供給されるため、基板上部空間において互いに初めて接触することになる。また、ガス供給部30から供給される複数の反応ガスは、いずれも基板の表面近傍に向けて直接、供給されるようになっている。したがって、基板上部空間の外における反応が抑制されるため、供給される反応ガスは、基板SB上の気相成長に高い割合で寄与することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長装置1が実現されている。また、原料の利用効率の向上に伴って、化学気相成長装置1は、高速成長が可能であるとともに、厚膜の成長に適している。
ガス供給部30は、第1供給管(供給管32a、32b)および第2供給管(供給管34)を有しており、これらは、基板上部空間側方の相異なる方向から反応ガスを供給する。これにより、双方から供給される反応ガスを互いに混合する前に基板SBに供給する構成が容易に実現されている。このように双方からの反応ガスが基板上部空間において互いに初めて接触することは、III族原料ガスとV族原料ガスとの混合から反応成長までの時間が比較的短い窒化物系半導体においては、特に肝要である。また、この構成により、基板上部空間における気流の制御を安定的に行うことができる。これらの効果は、第1供給管および第2供給管から噴出された直後の反応ガスの速度ベクトル同士がなす角度が90°以上である場合に顕著であり、120°以上である場合に一層顕著である。
第1供給管および第2供給管は、基板SBの基板面に沿って反応ガスを供給するため、双方からの反応ガスを互いに混合する前に基板に供給する構成をより確実に実現することができる。
また、本実施形態においては、上述のように基板SBに供給する複数の反応ガスを互いに混合する前に基板SBに供給することにより、原料の利用効率が高い化学気相成長方法が実現されている。さらに、この化学気相成長方法では、複数の反応ガスを、基板SBの上部空間側方の相異なる方向から供給することにより、それらの反応ガスを互いに混合する前に基板に供給することを容易に実現している。
ところで、特許文献1に記載の成長装置101では、2つの導入管102、103は、基板の上部空間に対して同じ方向から反応ガスを供給しており、これらの反応ガスは、基板106に供給される前に互いに混合し合う。このため、この成長装置101においては、基板106の表面近傍以外における不要な反応、すなわち基板106上の気相成長に寄与しない反応の割合が高く、原料の利用効率が充分に高いとは言えない。これに対して、各供給管から供給される反応ガスが互いに混合する前に基板SBに供給されるようにした上述の化学気相成長装置1によれば、充分に高い原料利用効率が実現される。
同様に、特許文献2に記載の成長装置でも、混合した後の反応ガスを1つの供給管から基板に供給しているため、原料の利用効率が充分に高いとは言えない。なお、この成長装置において、反応ガスと押圧ガスとは相異なる方向から基板の上部空間に供給されるが、反応ガス同士は、上述の通り同じ方向から供給されている。
対向部材24を直接に加熱する電熱器26が備えられている。このため、基板上部空間を所望の反応温度に効率良く加熱することができる。また、基板上部空間を中心に加熱されるため、基板上部空間における反応が促進され、それゆえ原料の利用効率が一層向上する。また、基板保持部材22の内部にも電熱器が設けられているため、基板保持部材22により保持される基板SBの表面近傍を所望の反応温度に効率良く加熱することができる。また、基板SBの表面近傍が主に加熱されることにより、基板SBの表面近傍における反応が促進され、それゆえ原料の利用効率が一層向上する。さらに、基板SBに達する前に反応ガスが熱分解されてしまうのを防止することができる。
なお、基板保持部材22側と対向部材24側とでは、同じ温度に設定してもよく、相異なる温度に設定してもよい。例えば、対向部材24の載置面24aの温度を基板保持部材22の載置面22aよりも高く設定すれば、基板上部空間には、外壁10の中心軸方向について温度勾配が生じる。すると、高温側から低温側すなわち対向部材24から基板保持部材22の向きに対流が生じるため、基板上部空間に供給される反応ガスは基板保持部材22により保持される基板SBの表面近傍に集中するようになり、原料利用効率の一層の向上につながる。
基板上部空間の高さが対向部材24により制限されるため、基板表面近傍における反応ガスの流動状態が好適に制御され、成膜効率の向上および成膜される膜質の向上を図ることができる。また、従来の化学気相成長装置に比して基板上部空間が局限されるため、ガス供給部30からの反応ガスが供給される空間も基板SBの表面近傍に局限され、供給される反応ガスは、基板SB上の気相成長に一層高い割合で寄与することになる。このため、原料利用効率が一層高い化学気相成長装置1が実現されている。この効果は、基板上部空間の高さが基板保持部材22の直径以下である場合に顕著である。さらに、基板上部空間の高さが基板保持部材22の直径の0.5倍以下、0.3倍以下となるにつれて、上記効果は一層顕著となる。
図12および図13を用いて、上述のように基板上部空間の高さを制限することの意義をより詳細に説明する。図12に示すように、基板上部空間のうち、気相成長すなわち基板上の成膜に寄与する反応が行われる領域(境界層)は、基板表面の極近傍に限られる。反応領域よりも上側の領域のうち、上記反応領域の近傍の領域は、反応領域に反応ガスを供給する領域(供給層)として機能する。気相成長に寄与するのはこれらの反応領域及び供給領域であり、供給領域よりも上側の領域(残余領域)は気相成長に実質的に寄与しない。したがって、原料の消費効率を向上させるという観点からは、残余領域を極力小さくする、或いはまったく存在しないようにすることが好ましい。気相成長装置1において基板上部空間の高さを制限しているのは、このためである。
なお、上述の通り、気相成長装置1においては対向部材24にも基板が載置されており、基板保持部材22上の基板と対向部材24上の基板とが対向配置されている。このような場合には、図13(a)に示すように、双方の基板表面の極近傍が反応領域となり、両反応領域それぞれの近傍が供給領域となり、両供給領域で挟まれた領域が残余領域となる。この場合も、基板上部空間の高さを制限することにより、残余領域を極力小さくする、或いは図13(b)に示すように全く存在しないようにすることが好ましい。
対向部材24は、載置面24aにおいて、基板SBを保持可能である。このため、ガス供給部30からの反応ガスは、基板保持部材22により保持される基板SBおよび対向部材24により保持される基板SBの双方に供給されることになる。これにより、基板上部空間を挟んで対向する双方の基板SBを同時に処理することができるため、原料の利用効率が一層向上するとともに、生産性も向上する。
対向部材24は、その中心軸すなわち載置面24aの法線と略平行な軸を回転軸として回転可能である。対向部材24を回転させながら反応ガスを供給することにより、対向部材24により保持される基板SBに反応ガスを均一に供給することができる。また、基板保持部材22も、載置面22aの法線と略平行な軸を回転軸として回転可能であるため、基板保持部材22を回転させながら反応ガスを供給することにより、基板保持部材22により保持される基板SBに反応ガスを均一に供給することができる。なお、基板保持部材22と対向部材24とを共に回転させる場合、それらの回転方向は、互いに反対方向となるようにすることが好ましい。
対向部材24は、不図示の移動機構により、中心軸に沿う上下方向に移動可能に構成されている。すなわち、対向部材24は、基板保持部材22により保持される基板SBに対して相対的に移動可能であり、基板上部空間の高さを容易に調整することができる。このように基板上部空間の高さを調整可能であれば、反応系の種類に応じて、基板上部空間の高さを最適に調整することができる。これにより、種々の反応系において、原料の利用効率の高い化学気相成長装置1が実現されている。なお、本実施形態では、対向部材24のみが移動可能な例を示したが、基板保持部材22のみが移動可能であってもよく、これらが共に移動可能であってもよい。
基板保持部材22は、複数の基板SBを保持可能である。これにより、複数の基板を同時に処理することができるため、原料の利用効率が一層向上する。化学気相成長装置1は、2つの載置面22a、24aが相対向して配置される構成のため、多数の基板を同時に処理するのに特に適している。
第2の実施の形態
本実施形態に係る装置は、基板保持部材により、一対の基板が成長面を内側にして対向配置され、この一対の基板によって規制された空間に第1反応ガスおよび第2反応ガスが供給される構成を有する。反応ガスは、いずれも基板の表面近傍に向けて直接、供給されるようになっている。
図6は、本実施形態による化学気相成長装置を示す一部切欠き斜視図である。化学気相成長装置2は、基板保持部材52、対向部材54、供給管56、58を備えている。基板保持部材52および対向部材54は、共に円筒状をしており、中心軸を共有している。なお、図において、対向部材54の一部を切り欠いて示している。また、対向部材54の内径は、基板保持部材52の外形よりも大きい。これらの基板保持部材52および対向部材54に挟まれた空間が成長室となる。基板保持部材52の外側面および対向部材54の内側面には、それぞれ複数の基板SBが保持されている。この化学気相成長装置2において、基板保持部材52により保持される基板SBの上部空間の高さは、基板保持部材52の外形と対向部材54との差で定められる。この上部空間の高さは、基板が載置される基板載置台の直径以下に設定されている。また、基板保持部材52および対向部材54は、それらの中心軸を回転軸として互いに反対方向に回転可能である。
図に示すように、基板保持部材52および対向部材54の両端近傍にそれぞれ供給管56、58が設けられている。これらの供給管56、58は、基板保持部材52と対向部材54とで挟まれる基板上部空間に、互いに反対の方向から反応ガスを供給する。例えば、供給管56がIII族原料ガスを供給し、供給管58がV族原料ガスを供給する。
図7は、化学気相成長装置2を示す平面図である。この図に示すように、基板保持部材52の内側面および対向部材54の外側面には、それぞれ電熱器62、64(図6においては図示を省略)が備えられている。電熱器62、64により、それぞれ基板保持部材52および対向部材54を所望の温度に加熱することができる。また、各基板SBは、基板保持部材52の外側面および対向部材54の内側面に、それぞれ載置部材52a、54aを介して固定されている。
本実施形態においても、図1の化学気相成長装置1と同様に、供給管56、58から供給される反応ガスは、互いに混合する前に基板SBに供給されるため、基板上部空間において互いに初めて接触することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長装置2および化学気相成長方法が実現されている。
第3の実施の形態
図8は、本実施形態による化学気相成長装置を示す概略図である。化学気相成長装置3は、2枚の相対向する加熱壁72、74、並びに供給管76、78を備えている。供給管76、78から供給される反応ガスは、いずれも基板SBの表面近傍に向けて直接、供給されるようになっている。加熱壁72、74は、それぞれ上述の基板保持部材および対向部材として機能するとともに、内部に熱源を有しており電熱器としても機能するものである。このため、加熱壁72、74により、それぞれに保持される基板SBを直接に加熱することができる。この化学気相成長装置3において、基板上部空間の高さは、2枚の加熱壁72、74の間隔で定められる。また、基板上部空間に対しては、当該空間の図中上側および下側にそれぞれ位置する供給管76、78から反応ガスが供給される。例えば、供給管76からIII族原料ガスが、供給管78からV族原料ガスが供給される。
本実施形態においても、図1の化学気相成長装置1と同様に、供給管76、78から供給される反応ガスは、互いに混合する前に基板SBに供給されるため、基板上部空間において互いに初めて接触することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長装置3および化学気相成長方法が実現されている。
第4の実施の形態
図9は、本実施形態による化学気相成長装置を示す斜視図である。図10は、図9の化学気相成長装置4のIX−IX線に沿った断面図である。化学気相成長装置4は、容器80、基板保持部材82、供給管84、遮蔽部材86、および排出管88を備えている。容器80は、中空の円柱状をしており、その内部に略密閉された成長室を画成している。
基板保持部材82は、容器80の中心軸に沿って延びる細長い管状をしており、容器80の下面を貫いて設けられている。この基板保持部材82は、その延在方向と基板面とが略平行になるようにして、複数の基板SBを放射状に保持する。化学気相成長装置4において、基板上部空間は、隣り合う2枚の基板SBの間隔(基板保持部材82からの距離が最大の位置における間隔)Dで定められる。この間隔Dは、基板SBの直径以下とされる。また、基板保持部材82は、反応ガスを供給する供給管としても機能し、その表面には反応ガスを噴出するための開口82aが複数形成されている。図10からわかるように、開口82aは、隣り合う各基板対の間に面するように形成されている。また、基板保持部材82は、その中心軸を回転軸として回転可能に設けられている。
供給管84は、容器80の中心軸に沿って延び、容器80の上面を貫いている。供給管84の噴出口と基板保持部材82との間には、基板保持部材82およびそれにより保持される基板SB全体を容器の上面側から覆う遮蔽部材86が設けられている。これにより、供給管84から噴出される反応ガスは、図中に矢印示すように、容器80の内壁と遮蔽部材86との間隙を通過し、内壁に沿って容器80の下面側に移動した後、基板上部空間に入り込むことになる。なお、容器80の外壁には図示しない電熱器が設けられており、供給管84から噴出される反応ガスは、容器の80に沿って下面側に移動する間に、この電熱器により加熱される。また、容器80内部の不要な反応ガスは、容器80の下面に連設された排出管88から排出される。
本実施形態においては、例えば、基板保持部材82の開口82aからIII族原料ガスが、供給管84からV族原料ガスがそれぞれ基板上部空間に供給される。
本実施形態においても、図1の化学気相成長装置1と同様に、基板保持部材82および供給管84から供給される反応ガスは、互いに混合する前に基板SBに供給されるため、基板上部空間において互いに初めて接触することになる。このため、原料の利用効率が高い化学気相成長装置4および化学気相成長方法が実現されている。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、上記では窒化物半導体の成長を例に挙げて説明したが、他の半導体、たとえばIII−V族半導体、II−VI族半導体等の成膜に本発明を適用することもできる。特に、原料加熱温度と反応温度との差が大きい場合、たとえば反応温度が原料加熱温度よりも100℃以上高い場合、特に有効となる。
また、上記実施の形態では、HVPE等のCVDによる成長を例に挙げたが、原子層堆積法(ALD)等に本発明を適用することも可能である。
本発明による化学気相成長装置の一実施形態を示す一部切欠き斜視図である。 図1の基板保持部材22の載置面22aを示す平面図である。 図1に示す化学気相成長装置1における基板保持部材22の載置面22aに平行な断面図である。 (a)〜(c)は、図3の第1供給管(供給管32a、32b)と第2供給管(供給管34)との位置関係の例を説明するための図である。 ハロゲン化物生成室の構成例を示す概略図である。 本発明による化学気相成長装置の他の実施形態を示す一部切欠き斜視図である。 図6の化学気相成長装置2を示す平面図である。 本発明による化学気相成長装置の他の実施形態を示す概略図である。 本発明による化学気相成長装置の他の実施形態を示す斜視図である。 図9の化学気相成長装置4のIX−IX線に沿った断面図である。 従来の化学気相成長装置を示す概略図である。 境界層の概念を説明するための図である。 境界層の概念を説明するための図である。
符号の説明
1 化学気相成長装置
2 化学気相成長装置
3 化学気相成長装置
4 化学気相成長装置
10 外壁
12 保護壁
22 基板保持部材(載置台)
22a 載置面
24 対向部材
24a 載置面
26 電熱器
26a 電極
30 ガス供給部
32a 供給管
32b 供給管
34 供給管
36 排出管
40 ハロゲン化物生成室
40a 排出口
42 ハロゲンガス供給管
44 キャリアガス供給管
46 III族原料
48 ソースボート
52 基板保持部材
54 対向部材
56 供給管
58 供給管
62 電熱器
64 電熱器
72 加熱壁
74 加熱壁
76 供給管
78 供給管
80 容器
82 基板保持部材
82a 開口
84 供給管
86 遮蔽部材
88 排出管
101 成長装置
102 導入管
103 導入管
104 抵抗加熱ヒータ
105 基板保持具
106 基板
107 排気口
108 結晶成長容器
109 原料載置部
110 フランジ
SB 基板

Claims (12)

  1. 基板を保持する基板保持部材と、
    前記基板に第1反応ガスを供給する第1供給部と、
    前記基板に、前記第1反応ガスと反応する第2反応ガスを供給する第2供給部と、
    を有し、
    前記第1供給部および前記第2供給部は、それぞれ前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスを、前記基板に対し相異なる方向から独立に供給することを特徴とする化学気相成長装置。
  2. 請求項1に記載の化学気相成長装置において、
    前記第1供給部および前記第2供給部のうち少なくとも一方は、前記基板の表面近傍に向けて直接、反応ガスを供給することを特徴とする化学気相成長装置。
  3. 請求項1または2に記載の化学気相成長装置において、
    前記第1供給部および前記第2供給部は、それぞれ前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスを、前記基板の上部空間側方の相異なる方向から前記基板に供給することを特徴とする化学気相成長装置。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスが、前記基板の表面に沿って供給されるように構成されたことを特徴とする化学気相成長装置。
  5. 請求項1乃至4いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    基板保持部材により保持される基板に対向する位置に配置され、基板の上部空間の高さを制限する対向部材を備えることを特徴とする化学気相成長装置。
  6. 請求項1乃至4いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    基板保持部材により、一対の前記基板が成長面を内側にして対向配置され、
    前記一対の前記基板によって規制された空間に前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスが供給されるように構成されたことを特徴とする化学気相成長装置。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    前記基板の上部空間の高さが、前記基板が載置される基板載置台の直径以下であることを特徴とする化学気相成長装置。
  8. 請求項1乃至7いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    直接にまたは前記基板保持部材を介して前記基板を加熱する基板加熱手段を備えることを特徴とする化学気相成長装置。
  9. 請求項1乃至8いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    当該化学気相成長装置は、基板上に化合物半導体からなる膜を成長させる装置であって、
    前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスは、前記化合物半導体を構成する元素の原料ガスであることを特徴とする化学気相成長装置。
  10. 請求項1乃至9いずれかに記載の化学気相成長装置において、
    当該装置は、ハイドライド気相成長による成長を行う装置であって、
    前記第1反応ガスはIII族元素のハロゲン化物を含む反応ガスであり、前記第2反応ガスはV族原料ガスを含む反応ガスであることを特徴とする化学気相成長装置。
  11. 基板の表面に対し、第1反応ガスおよび第2反応ガスを、それぞれ前記基板に向けて相異なる方向から独立に供給し、これらの反応ガスを反応させて前記表面に膜を成長させることを特徴とする化学気相成長方法。
  12. 請求項11に記載の化学気相成長方法において、
    前記第1反応ガスおよび前記第2反応ガスを、前記基板の上部空間側方の相異なる方向から前記表面に供給することを特徴とする化学気相成長方法。
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