JP2008114139A - 排ガス浄化システム、半導体製造装置、化合物半導体結晶の気相成長方法、および化合物半導体結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の結晶成長炉を有する半導体製造装置において、全体としての設備コストや設置スペースの増加を抑制し、各結晶成長炉からの排ガスを集中浄化処理できると共に、一部の結晶成長炉をメインテナンスする場合にも、他の結晶成長炉の運転を止める必要がない、効率的な運用が可能な半導体製造装置を提供する。
【解決手段】複数の結晶成長炉を有する半導体製造装置における排ガス浄化システムであって、第１の排ガス浄化装置と各結晶成長炉とを接続する第１の排ガス排出管の各々に、第１の排ガス浄化装置に接続しない第２の排ガス排出管を接続すると共に、前記２本の排ガス排出管の接続箇所に、排気切替機構を設けて、必要に応じて、各結晶成長炉からの排ガスの排出経路を切り替えることを特徴とする排ガス浄化システム、及び前記排ガス浄化システムを具備していることを特徴とする半導体製造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排ガス浄化システム、ならびにその排ガス浄化システムを具備する半導体製造装置に関する。また、本発明は、化合物半導体結晶の気相成長方法、および化合物半導体結晶に関する。

従来から、化合物半導体結晶は、レーザ機器、光通信機器など多くの機器に用いられる半導体素子の必要不可欠な基本要素、具体的には基板ウェハーとして広く用いられてきている。この化合物半導体結晶の製造方法としては、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、液体封止チョコラルスキー法（ＬＥＣ法）、有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等、種々の方法があり、これらの方法を用いることにより、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓなどの化合物半導体や窒素（Ｎ）を構成元素とする窒化物半導体等が実用化されている。

しかし、これら化合物半導体結晶の製造方法においては、化合物半導体結晶以外に、反応ガスや粉末状の反応生成物が生成される。この内、反応ガスは、未反応の原料ガスと共に、排ガスとして、結晶成長炉から排出される。排ガスには、有害ガスも含まれており、近年、環境へ与える影響が社会問題となっている。例えば、窒化物半導体の製造においては、未反応アンモニアガス、水素ガス、塩化水素ガス等が排ガスとして排出される。この内、アンモニアガスおよび塩化水素ガスは、有害ガスであり、大気中に放出するに先立って浄化する必要がある。

また、粉末状の反応生成物は、結晶成長炉内に堆積したり、排ガス排出管を閉塞させたりする可能性があるため、除去する必要がある。

排ガス浄化装置としては、従来より、触媒式分解法排ガス浄化装置、燃焼法排ガス浄化装置、湿式吸収法排ガス浄化装置等が知られているが、触媒式分解法排ガス浄化装置や燃焼法排ガス浄化装置は、処理効率は高いものの、大きな設置コストや設置スペースを必要とする。一方、湿式吸収法排ガス浄化装置は、吸収液からの水分の逆拡散が製品に悪影響を及ぼすことが懸念される。また、いずれの方式の排ガス浄化装置においても、粉末状の反応生成物の除去については、別途考慮する必要がある。

ＨＶＰＥ法用の排ガス浄化装置として、特許文献１に、設置コストや設置スペースを小さくした湿式吸収法排ガス浄化装置が提案されている。
また、複数の半導体製造装置からの排ガスを処理する方法として、特許文献２に、排ガスを一旦一元化した後、再度複数に分配して処理することにより、他の半導体製造装置の停止を回避する手段が提案されている。
特開２０００−２８８３４２号公報 特開２００５−２７９３２０号公報

しかし、特許文献１に記載の湿式吸収法排ガス浄化装置は、設置コストや設置スペースは小さくできるものの、各結晶成長炉毎に設けることを前提としており、複数の結晶成長炉で半導体製造装置を構成すると、複数台の湿式吸収法排ガス浄化装置が必要となり、大きな設置コストと広い設置スペースを必要とすることになる。そこで、前記半導体製造装置において、各結晶成長炉からの排ガスを、１台の湿式吸収法排ガス浄化装置を用いて集中処理しようとすると、今度は、各結晶成長炉のメインテナンスにおいて、新たな問題が発生する。

例えば、前記半導体製造装置を構成する複数の結晶成長炉の内の１台の結晶成長炉をメインテナンスする場合を考えた場合、メインテナンスのために、結晶成長炉と排ガス排出管との接続を解除すると、結晶成長炉と排ガス排出管内部が開放され、そこに大気が混入する。混入した大気は、他の結晶成長炉に接続された排ガス排出管を通して、結晶成長炉にも混入するおそれがある。結晶成長炉に混入した大気は、半導体結晶の成長を阻害して、製品の品質不良を招く。そのため、結晶成長炉のメインテナンスは、全ての結晶成長炉を止めて、同時に行わざるを得ず、半導体製造装置としての効率的な運用をすることができない。

また、粉末状の反応生成物も生じるような場合には、排ガス排出管の閉塞を防ぐためにも、頻繁にメインテナンス（配管清掃）を行う必要があり、その度に、全ての結晶成長炉を止めて、同時に行わざるを得ず、半導体製造装置としての効率的な運用をすることができない。

上記のメインテナンスにおける問題は、例として挙げた湿式吸収法排ガス浄化装置に限った問題ではなく、他の触媒式分解法排ガス浄化装置や燃焼法排ガス浄化装置においても、同様の問題を抱えている。

また、前記特許文献２に記載の方法では、一元化した排ガスを再度分配して、複数の処理装置に導入するので、全体としては、大きな設置コストと広い設置スペースを必要とする。

このため、複数の結晶成長炉を有する半導体製造装置において、全体としての設備コストや設置スペースの増加を抑制し、各結晶成長炉からの排ガスを集中浄化処理できると共に、一部の結晶成長炉をメインテナンスする場合にも、他の結晶成長炉の運転を止める必要がない、効率的な運用が可能な半導体製造装置が望まれていた。

本発明者は、上記の課題につき鋭意検討の結果、ある結晶成長炉をメインテナンスする際には、その結晶成長炉からの排ガスが、本来の集中浄化処理装置には排出されないように、排ガス浄化システムを構築すれば、他の結晶成長炉へ影響が及ばないことに着目し、本発明を完成するに至った。
以下、各請求項の発明について説明する。

請求項１に記載の発明は、
複数の結晶成長炉を有する半導体製造装置における排ガス浄化システムであって、
第１の排ガス浄化装置と各結晶成長炉とを接続する第１の排ガス排出管の各々に、第１の排ガス浄化装置に接続しない第２の排ガス排出管を接続すると共に、
前記２本の排ガス排出管の接続箇所に、排気切替機構を設けて、
必要に応じて、各結晶成長炉からの排ガスの排出経路を切り替える
ことを特徴とする排ガス浄化システムである。

本請求項の発明では、通常は、複数の結晶成長炉からの排ガスは、各結晶成長炉に接続された第１の排ガス排出管を経由して、第１の排ガス浄化装置において、集中排浄化処理されている。しかし、一部の結晶成長炉をメインテナンスする必要が生じた場合には、その結晶成長炉からの排ガスの経路を、バルブ等の排気切替機構により、第１の排ガス排出管から第２の排ガス排出管に切り替えて、メインテナンスを行う。

排ガスの経路を、第１の排ガス排出管から第２の排ガス排出管に切り替えることにより、メインテナンスのために開放された結晶成長炉やその排ガス排出管に混入した大気が、他の結晶成長炉に混入、逆拡散することを防ぐことができる。

本請求項の発明により、他の結晶成長炉における結晶成長を止めることなく、また成長中の結晶の品質低下を招くことなく、特定の結晶成長炉のメインテナンスを行うことが可能となるため、高品質の半導体結晶を連続的に製造することができ、半導体製造装置として効率的に運用できる。
また、各結晶成長炉からの排ガスを、第１の排ガス浄化装置において、集中排浄化処理するため、設備コストや設置スペースの増加を抑制できる。

請求項２に記載の発明は、前記排ガス浄化システムであって、
前記第２の排ガス排出管に排出された各結晶成長炉からの排ガスが、第２の排ガス浄化装置を用いて浄化されることを特徴とする排ガス浄化システムである。

本請求項の発明では、排気切替機構により第２の排ガス排出管に経路が切り替えられた排ガスを、集中浄化処理装置である第１の排ガス浄化装置とは異なる第２の排ガス浄化装置を用いて浄化する。この第２の排ガス浄化装置は、各結晶成長炉毎に設けてもよい。しかし、後述するように、第２の排ガス浄化装置は、結晶成長炉のメインテナンス時およびメインテナンス完了後の運転再開時に、特定の結晶成長炉からの排ガスに対してのみ使用されるため、各結晶成長炉の運用を調整すれば、第１の排ガス浄化装置と同じように、集中浄化処理することも可能となり、設置コストおよび設置スペースの面より好ましい。

請求項３に記載の発明は、前記排ガス浄化システムであって、
前記各第１の排ガス排出管の、結晶成長炉と排気切替機構との間に、酸素濃度計を配置したことを特徴とする排ガス浄化システムである。

本請求項の発明は、メインテナンス完了後における結晶成長炉の運転につき、着目したものである。即ち、メインテナンス完了後の排ガス排出管には、まだ大気が混入したままであるため、運転再開後の排ガスは、未だ第２の排ガス排出管に排出する必要がある。そして、十分に酸素濃度が低下した時点で、排気切替機構を用いて、排ガス排出経路を、再び、第１の排ガス排出管とすることにより、他の結晶成長炉には大気が混入せず、他の結晶成長炉において成長中の結晶の品質低下を招くことなく、高品質の半導体結晶を連続的に製造することができる。このとき、所定の位置に酸素濃度計が設けられていると、排ガス中の酸素濃度を正確に測定することができ、結晶の品質低下と生産性の低下を、効率的に防ぐことができる。

請求項４に記載の発明は、前記排ガス浄化システムであって、
前記第１の排ガス浄化装置が、燃焼法排ガス浄化装置、触媒式分解法排ガス浄化装置、湿式吸収法排ガス浄化装置のいずれか、もしくはそれらの組み合わせであることを特徴とする排ガス浄化システムである。

本請求項の発明は、第１の排ガス浄化装置として好ましい装置に関するものである。本発明は、複数の結晶成長炉を対象に、排ガスの集中浄化処理を行うので、高価ではあるが処理効率が良い触媒式分解法排ガス浄化装置や燃焼法排ガス浄化装置を採用しても、半導体製造装置全体としての設置コストおよび設置スペースは、それほど大きなものとはならない。

また、大きな設置コスト、スペースを必要としない湿式吸収法排ガス浄化装置を、第１の排ガス浄化装置として使用することも可能である。しかし、この湿式吸収法排ガス浄化装置は、水分の逆拡散の問題や、吸収液の補充・交換等のメインテナンスの煩雑さ等の問題点もあり、他の触媒式分解法排ガス浄化装置や燃焼法排ガス浄化装置の使用がより好ましい。

なお、前記第２の排ガス浄化装置は、結晶成長炉のメインテナンス時およびメインテナンス完了後の運転再開時にのみ使用されるため、湿式吸収法排ガス浄化装置を適用することは好ましい。それは、水分の逆拡散の問題を考慮する必要がなく、また、吸収液の補充・交換等のメインテナンスの頻度もさほど多くならないからである。
また、同様の理由から、触媒式分解法排ガス浄化装置や燃焼法排ガス浄化装置を、第１の排ガス浄化装置として用い、その下流側に、さらにバックアップ用として湿式吸収法排ガス浄化装置を配置することも好ましい。このとき、第２の排ガス浄化装置とバックアップ用排ガス浄化装置とを兼用させてもよい。

請求項５に記載の発明は、前記排ガス浄化システムであって、
各結晶成長炉の直後の各第１の排ガス排出管に、粉末状排出物を捕捉するトラップ機構を配置したことを特徴とする排ガス浄化システムである。

本請求項の発明は、結晶成長反応において、粉末状排出物が生成する場合における排ガス処理に関するものである。上述したように、粉末状排出物は、結晶成長炉内に堆積したり、排ガス排出管を閉塞させたりする可能性があるため、除去する必要がある。そこで、各結晶成長炉の直後にトラップ機構を設けて、粉末状排出物を捕捉して、トラップ機構より下流側に位置する第１の排ガス排出管、酸素濃度計、排気切替機構、第２の排ガス排出管が閉塞されないようにする。捕捉された粉末状排出物は、メインテナンス時に、結晶成長炉内やトラップ機構より上流側に残る粉末状排出物と共に、水などを用いて、除去、洗浄される。

トラップ機構は、配管経路を入り組ませたり、フィルターを設置する等の簡単な構造であっても、十分な捕捉機能を果たすので、設置コストの大きな増加を招くことはない。

請求項６に記載の発明は、
前記排ガス浄化システムを具備していることを特徴とする半導体製造装置である。

本請求項の発明の半導体製造装置により、一部の結晶成長炉がメインテナンス中であっても、他の結晶成長炉の運転を停止させる必要がなく、また他の結晶成長炉において成長中の結晶の品質低下を招くことなく、高品質の半導体結晶を連続的に製造することができる。

請求項７に記載の発明は、
前記半導体製造装置を用いて、各結晶成長炉内で化合物半導体結晶を気相成長させることを特徴とする化合物半導体結晶の気相成長方法である。

本請求項の発明は、請求項６の発明を、化合物半導体結晶の気相成長方法の面より捉えたものである。化合物半導体結晶の気相成長が、他の結晶成長炉のメインテナンスに影響されずに進行するため、安定した結晶成長を図ることが可能となる。

請求項８に記載の発明は、
前記気相成長方法により得られることを特徴とする化合物半導体結晶である。

本請求項の発明は、本発明を、得られた化合物半導体結晶より捉えたものであり、得られた化合物半導体結晶は、高い品質を有している。

請求項９に記載の発明は、前記化合物半導体結晶であって、
自立単結晶であることを特徴とする化合物半導体結晶である。

前記化合物半導体結晶が、結晶成長炉を停止することなく、安定して成長するため、本発明を、厚い結晶（自立単結晶）に適用することにより、より大きな効果を発揮することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記化合物半導体結晶であって、
IIIV族化合物半導体結晶であることを特徴とする化合物半導体結晶である。

前記化合物半導体結晶として、窒化アルミニウム等、IIIV族化合物半導体結晶に本発明を適用することにより、より大きな効果を発揮することができる。

本発明により、メインテナンスのために開放された結晶成長炉やその排ガス排出管に混入した大気が、他の結晶成長炉に混入、逆拡散することを防ぐことができる。
このため、他の結晶成長炉における結晶成長を止めることなく、また成長中の結晶の品質低下を招くことなく、特定の結晶成長炉のメインテナンスを行うことが可能となるため、高品質の半導体結晶を連続的に製造することができ、半導体製造装置として効率的に運用できる。
また、各結晶成長炉からの排ガスを、第１の排ガス浄化装置において、集中排浄化処理するため、設備コストや設置スペースの増加を抑制できる。

以下、本発明をその最良の実施の形態につき、図１及び図２を用いて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態（実施例）に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（半導体製造装置の構成）
図１は、本発明に係る排ガス浄化システムを具備する半導体製造装置の構成を説明する模式図であり、１基の半導体製造装置が、結晶成長炉１０台から構成されている。また、図２は、前記１０台の結晶成長炉の内の１台を模式的に示したものである。なお、本実施例は、窒化アルミニウムのＨＶＰＥ法による結晶成長を例にとって説明する。

図１に示すように、結晶成長炉２を１０台準備し、第１の排ガス浄化装置８、および第２の排ガス浄化装置１０と各結晶成長炉２とを、配管５、トラップ３、配管６、配管７を介して接続して、半導体製造装置を構成させる。なお、前記半導体製造装置には、その他に、原料ガス導入配管１、酸素濃度計４が配置されている。さらに、図示しないが、配管６と配管７とが分岐する箇所には、排気切替機構として、バルブが配置されている。

トラップ３は、塩化アンモニウムを捕捉するために取り付けられたものであり、長さ５ｍ、内径４０ｍｍのステンレス管を折り曲げ、その終端部にウール状のステンレスを粉末フィルターとして充填した構造となっている。また、トラップ効率を増加させるため、トラップ３は、外部から水冷できるようになっている。トラップは、このような簡単な構造で、十分に機能を発揮するため、大きな設置コストを必要としない。

各配管（５、６、７、９）は、ステンレス製であり、配管５と配管６とで、第１の排ガス排出管を構成し、配管７が第２の排ガス排出管を構成している。
また、第１の排ガス浄化装置８は、ＬＮＧガスを燃料とする燃焼式の浄化装置であり、アンモニアガスの集中浄化装置として設置されている。そして、第２の排ガス浄化装置１０は、湿式吸収浄化装置であり、同時に、第１の排ガス浄化装置８のバックアップ装置としても働くように、配管９を介して、第１の排ガス浄化装置８に接続されており、使用効率をより高めるようになっている。

（結晶成長炉の構成）
図２は、図１における結晶成長炉２の構成を示す模式図である。図２において、１は原料ガス導入配管、５は配管、２１はＡｌボート、２２は金属Ａｌ、２３は基板ホルダー、２４は基板、２６はヒータであり、そして、２７は得られる結晶である。

（ＡｌＮ結晶の成長手順）
Ａｌボート２１に金属Ａｌ２２を充填し、基板ホルダー２３に基板２４（２インチＡｌＮ基板、表面の面方位は（０００１）面）をセットする。ここまでは、結晶成長炉２を大気に開放した状態で行い、次に結晶成長炉２の蓋を閉じ、結晶成長炉２に窒素ガスを導入する。

この段階では、配管５及びトラップ３を通る結晶成長炉２からの排ガスは、大気を混入した状態であるため、配管７に通す。酸素濃度計４の酸素濃度が十分に低下したことを確認した後、排気切替機構（バルブ）を操作して、排ガスの経路を、配管７から配管６に切り替える。ヒータ２６で、Ａｌボート２１を８００℃に、基板２４を１１００℃に加熱してから、原料ガス導入配管１より、原料ガス（ＨＣｌ、ＮＨ_３）を導入して、結晶成長を開始する。この時の結晶成長炉２内の圧力は、約１ａｔｍとする。

所定時間経過後、原料ガスの供給を停止し、室温まで冷却する。冷却中は、酸素（大気）が混入しないように、結晶成長炉２には、原料ガス導入配管１より、原料ガスの代わりに窒素ガスを流す。冷却終了後、原料ガス導入配管１を閉じるとともに、排ガス経路を配管６より配管７に切り替えた後、結晶２７を取り出すと共に、結晶成長炉２内部、配管５内部及びトラップ３を清掃する。

このとき、結晶成長炉２内部には、結晶２７としてＡｌＮ結晶が、また、配管５、トラップ３には、塩化アンモニウムの粉末が析出している。塩化アンモニウムは、水溶性であることから、配管５やトラップ３の清掃は、水に浸漬する、もしくは水流によって洗い流す等の手段で、容易に除去することができる。

以下、半導体製造装置としての実施の形態につき、実施例を挙げて、説明する。

図１に示す半導体製造装置を構成する１０台の結晶成長炉２の内、まず５台の結晶成長炉２において、１００時間の成長時間で、約３０ｍｍのＡｌＮの結晶成長を開始し、その結晶成長中に残り５台の結晶成長を前記と同様の条件で開始した。次に、後の５台の結晶成長中に、初めの５台の結晶成長を終了し、結晶２７を取り出し、清掃した後、次の結晶成長開始を行うというサイクルで、計１５回の結晶成長を実施した。得られた結晶２７は、全て表面が（０００１）面からなる単結晶であり、ＳＩＭＳ分析による酸素濃度は全ての結晶２７で１×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^３以下であり、酸素不純物による汚染のない結晶成長を実現出来ていた。

（比較例）
図１に示すように、半導体製造装置を構成する１０台の結晶成長炉２を同時に稼働させ、１００時間の成長時間で、各結晶成長炉２において、約３０ｍｍのＡｌＮの結晶成長を行った。得られた全ての結晶２７は、表面が（０００１）面からなる単結晶であり、ＳＩＭＳ分析による酸素濃度は、全ての結晶２７で、１×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^３以下であり、酸素不純物による汚染のない結晶成長が実現出来た。

実施例で得られた結晶は、比較例で得られた結晶と遜色がなく、一部の結晶成長炉の運転を止めても、他の結晶成長炉における結晶成長は、影響を受けることなく、高品質の結晶が得られることが分かった。
そのため、半導体製造装置として、連続運転が可能であり、連続して、品質の良い結晶を得ることができることが確認できた。
なお、本実施例は、ＨＶＰＥ法によるＡｌＮ結晶成長を例にとって説明したが、ＡｌＮのＡｌの全て、もしくはその一部をＧａ，Ｉｎ、Ｂに置換結晶の成長であっても、上記実施例と同様の効果を確認した。

本発明に係る排ガス浄化システムを具備する半導体製造装置の模式図である。 １台の結晶成長炉の模式図である。

符号の説明

１ ：原料ガス導入配管
２ ：結晶成長炉
３ ：トラップ
４ ：酸素濃度計
５、６、７、９：配管
８ ：第１の排ガス浄化装置
１０ ：第２の排ガス浄化装置
２１ ：Ａｌボート
２２ ：金属Ａｌ
２３ ：基板ホルダー
２４ ：基板
２６ ：ヒータ
２７ ：結晶

Claims (10)

1. 複数の結晶成長炉を有する半導体製造装置における排ガス浄化システムであって、
   第１の排ガス浄化装置と各結晶成長炉とを接続する第１の排ガス排出管の各々に、第１の排ガス浄化装置に接続しない第２の排ガス排出管を接続すると共に、
   前記２本の排ガス排出管の接続箇所に、排気切替機構を設けて、
   必要に応じて、各結晶成長炉からの排ガスの排出経路を切り替える
   ことを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 前記第２の排ガス排出管に排出された各結晶成長炉からの排ガスが、第２の排ガス浄化装置を用いて浄化されることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化システム。
3. 前記各第１の排ガス排出管の、結晶成長炉と排気切替機構との間に、酸素濃度計を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排ガス浄化システム。
4. 前記第１の排ガス浄化装置が、燃焼法排ガス浄化装置、触媒式分解法排ガス浄化装置、湿式吸収法排ガス浄化装置のいずれか、もしくはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排ガス浄化システム。
5. 各結晶成長炉の直後の各第１の排ガス排出管に、粉末状排出物を捕捉するトラップ機構を配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の排ガス浄化システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の排ガス浄化システムを具備していることを特徴とする半導体製造装置。
7. 請求項６に記載の半導体製造装置を用いて、各結晶成長炉内で化合物半導体結晶を気相成長させることを特徴とする化合物半導体結晶の気相成長方法。
8. 請求項７に記載の気相成長方法により得られることを特徴とする化合物半導体結晶。
9. 自立単結晶であることを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体結晶。
10. IIIV族化合物半導体結晶であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の化合物半導体結晶。
    

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