JP2008172083A

JP2008172083A - 気相成長装置および気相成長方法

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Publication number: JP2008172083A
Application number: JP2007004698A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Sakagami; 英和坂上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】パーツの消耗を防ぎ、かつ材料ガスの消費効率に優れる気相成長装置および気相成長方法、を提供する。
【解決手段】気相成長装置は、基板２０が配置される反応室群１８Ｘおよび反応室群１８Ｙと、ガス供給部材３０と、ガス流れ規制部材４０とを備える。ガス供給部材３０は、反応室群１８Ｘ，１８Ｙに通じ、互いに異なる材料ガスが流通するガス流路３１および３２を形成する。ガス流れ規制部材４０には、ガス供給口４１および４２が周方向に交互に形成されている。ガス供給口４１は、反応室群１８Ｘおよび１８Ｙのいずれか一方とガス流路３１とを連通させる。ガス供給口４２は、反応室群１８Ｘおよび１８Ｙのいずれか他方とガス流路３２とを連通させる。ガス流れ規制部材４０および複数の反応室１８の相対的な移動により、互いに連通するガス流路３１，３２と反応室群１８Ｘ，１８Ｙとの組み合わせが入れ替わる。
【選択図】図５

Description

この発明は、一般的には、気相成長装置および気相成長方法に関し、より特定的には、２種類以上の材料ガスを交互に供給する気相成長装置および気相成長方法に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や半導体レーザーの製造工程において、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）等の水素化合物とを材料ガスとして化合物半導体薄膜を形成するＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着法）が用いられている。

ＭＯＣＶＤ法では、材料ガスを反応炉内に供給して加熱し、基板上で気相化学反応させることによって、基板に薄膜を形成する。ＭＯＣＶＤ法を用いた半導体製造工程においては、成膜品質の向上、運用コストの低減、歩留まりや生産処理能力の最大化が強く求められている。

このような薄膜を形成するための気相成長装置が、たとえば、特開２００４−３６３１８０号公報（特許文献１）、特開平４−２９３１３号公報（特許文献２）、特開２００２−７５８７９号公報（特許文献３）、特開平７−３２１０４５号公報（特許文献４）、特開平９−１１１４５７号公報（特許文献５）および特開平９−３０６８４５号公報（特許文献６）に開示されている。
特開２００４−３６３１８０号公報特開平４−２９３１３号公報特開２００２−７５８７９号公報特開平７−３２１０４５号公報特開平９−１１１４５７号公報特開平９−３０６８４５号公報

図１９は、気相成長装置の一例を示す図である。図１９を参照して、反応炉１２１を貫通するように、ガス供給部１２２およびガス排気部１２３が設けられている。反応炉１２１の内部には、基板１２４を載置するサセプタ１２５と、基板１２４を加熱するためのヒータ１２６とが設置されている。

ガス供給部１２２に接続される配管の経路上には、ガス流れの最も上流側に位置して材料ガス源１２７が設けられている。材料ガス源１２７は、気相成長に必要な複数のガス種である材料ガスＡ、材料ガスＢおよび材料ガスＣのソースが設置されたユニットとして設けられている。

材料ガスＡ、材料ガスＢおよび材料ガスＣは、それぞれ属性の異なるガスであり、たとえば、ＴＭＡ、ＴＭＧ等の有機金属ガスや、アンモニア、ホスフィン、アルシン等の水素化合物などである。材料ガス源１２７とガス供給部１２２との中間部には、ガスの流量を調整するための流量調整手段１２８が設置されている。流量調整手段１２８として、材料ガスＡ，材料ガスＢ，材料ガスＣのそれぞれに対応して、マスフローコントローラＭａ，Ｍｂ，Ｍｃが設置されている。

流量調整手段１２８よりもガス流れの下流側には、供給するガスを反応炉１２１側またはパージライン１３０側に切り替える切り替えバルブ１２９が設けられている。切り替えバルブ１２９は、使用する複数の材料ガスを、個別に反応炉１２１側とパージライン１３０側とに切り替える。切り替えバルブ１２９は、電磁バルブＶａ〜Ｖｆを含む。電磁バルブＶａ〜Ｖｃは、それぞれ材料ガスＡ〜Ｃの反応炉１２１側の供給配管を開閉し、電磁バルブＶｄ〜Ｖｆは、それぞれ材料ガスＡ〜Ｃのパージライン１３０側の導入配管を開閉する。電磁バルブＶａ〜Ｖｆを適当な組み合わせで開閉させることにより、材料ガスＡ〜Ｃを反応炉１２１側に供給するかパージライン１３０側へ排出するかが選択される。

ガス排気部１２３に接続される配管は、パージライン１３０に接続されている。さらにパージライン１３０の下流側には、排ガス処理装置１３１が設けられている。

成膜時、材料ガス源１２７で発生した材料ガスが、流量調整手段１２８および切り替えバルブ１２９を通じて、ガス供給部１２２から反応炉１２１に供給される。供給された材料ガスは、ヒータ１２６によってサセプタ１２５および基板１２４とともに加熱され、基板１２４の表面上で気相反応が促進される。これにより、基板１２４の表面上に薄膜が形成される。

基板１２４を通過した材料ガスは、ガス排気部１２３によって反応炉１２１の外部に排出され、その後、パージライン１３０に流入する。一方、切り替えバルブ１２９によってパージライン１３０側に切り替えられた材料ガスも、パージライン１３０に流入する。パージライン１３０に流入した材料ガスは、互いに合流し、最終的に排ガス処理装置１３１で除害処理される。

このような気相成長装置を用いた気相成長工程においては、材料ガスの切り替え前後で材料ガスを安定して供給する必要がある。このため、反応炉１２１に供給する必要のないタイミングであっても、その材料ガスの大元の流れを止めるという行為を行なわず、一定の流量を維持させる。反応炉１２１に供給されない材料ガスは、パージライン１３０側に流れが切り替えられ、廃棄される。

このため、材料ガス源１２７に貯留された材料ガスのソースが無駄に消費され、気相成長工程におけるコストアップの要因となっている。また、このような工程が繰り返されることによって、ソースの交換サイクルが短くなる。これにより、ソースの交換作業回数が増え、生産性が著しく低下するという問題が生じる。

ところで、ＭＯＣＶＤ法においては、複数種類の有機金属材料やドーピングに使用する不純物材料などの材料ガスを、反応炉に同時に連続的に供給する。このため、反応炉の内部では、複数種類の材料ガスが混在した状態で気相成長が行なわれることになる。

この場合、成膜後の基板上の結晶内部において、複数種類の不純物が無秩序に取り込まれる。この結果、結晶性が損なわれたり、ｐｎ不純物のドーピング量が低下するなどして、活性化率が減少し半導体の性能が低下するという問題がある。このような問題を解決する手段の１つとして、原子層成長法（ＡＬＥ：Atomic Layer Epitaxy）という有効な手法の研究が進められている。原子層成長法では、複数種類の材料ガスの供給を交互に切り替えながら、原子層レベルで成膜を制御する。

原子層成長法における気相成長工程では、複数の材料ガスを、単独で交互に反応炉に供給することによって、気相成長のセルフリミットがかかり、純粋な原子層の膜が形成される。このサイクルを繰り返すことによって、基板上により高品質な薄膜が形成される。

一例を挙げれば、青色レーザ素子のＡｌＧａＮ層を形成する場合、Ａｌ原料ガスとＮＨ_３ガスとが用いられる。Ａｌ原料ガスとＮＨ_３ガスとを同時に供給した場合、ガス同士が混ざることにより重合体が発生し、その重合体が正常なＡｌＧａＮ成長を阻害するおそれがある。これに対して、Ａｌ原料ガスとＮＨ_３ガスとを交互に供給した場合、各材料ガスがフレッシュな状態で基板に達するため、高品質なＡｌＧａＮ層を形成することができる。

一方、特許文献２には、原料ガスの使用効率の向上を図ることを目的とした半導体結晶の製造装置が開示されている。特許文献２に開示された半導体結晶の製造装置では、複数の反応管が設けられている。気相成長工程の途中に一時的に不要となった材料ガスは、３方バルブ等の切り替えによって、タイミングをずらしながら、順次、他の反応管に供給される。これにより、材料ガスの供給の安定性を維持しつつ、材料の使用効率を向上させることができる。

しかしながら、特許文献２では、本来パージラインに一時的に捨てようとするガスを、他の反応管に供給し、利用するだけのものである。このため、少なくとも２系統以上の反応管において、複数のプロセスの切り替えタイミングを考慮した上で成長開始のタイミングをずらして成長レシピを実行しなければならない。また、複数の反応管で同一の成膜工程を実施するには、各反応管で実行する成長レシピを同一条件とするか、少なくとも材料ガスの切り替えタイミングや使用する材料ガスの流量を同じ条件としなければならない。たとえ条件が同一に設定されたとしても、現実の装置においては、各反応管の固有の環境状態(圧力、温度、流速分布等)に差が生じる。このため、複数の反応管で同一の成膜を行なうことは困難である。

このような理由から、特許文献２に開示された半導体結晶の製造装置では、材料ガスを有効利用するための条件が限定される。このため、生産工程で使用する成膜レシピの柔軟性や信頼性に欠けるという問題がある。

また、特許文献３には、複数種類の材料ガスの切り替えをパルス状に制御することによって、原子層成長法を行なうＭＯＣＶＤ装置が開示されている。

この方法について図１９を用いて説明すると、使用する複数種類の材料ガスのうち、まず１つの材料ガスが、あるタイミングで切り替えバルブ１２９により選択され、その選択された材料ガスが、単独で反応炉１２１に供給される。このステップを他の材料ガスに対しても同様に実施することにより、原子レイヤーが１層形成される。さらに、このサイクルを繰り返すことにより、基板上に原子層レベルで結晶性の揃った薄膜が形成されていく。成膜時においては、材料ガスＡ、材料ガスＢおよび材料ガスＣが、予め定められたタイミングで切り替えバルブ１２９の開閉動作によって選択され、反応炉１２１内に供給される。

しかしながら、材料ガスの供給をパルス状に制御するには、材料ガスそのものの発生を停止することは現実的でない。このため、図１９に示すように、それぞれの材料ガスを供給する配管には、材料ガスを反応炉１２１側に供給する電磁バルブＶａ〜Ｖｃと、パージライン１３０側に導入する電磁バルブＶｄ〜Ｖｆとを対になるように設置する必要がある。このような構成において、材料ガス源の流量を一定に固定し、対になった切り替えバルブ１２９の瞬間的な切り替えによって、材料ガスの供給をパルス状にＯＮ、ＯＦＦするように制御する。

図２０は、図１９中の気相成長装置において、材料ガスＡ〜Ｃの供給量の変化を示す概略図である。図２０中の横軸は、ガスを供給する時間あるいはタイミングを表わし、縦軸は、材料ガスの供給量を表わす。図中では、材料ガスＡ〜Ｃの供給が、一定のタイミングでパルス状に制御された様子が示されている。区間Ａは、図１９中の気相成長装置における原子層成長の１サイクルの時間を表わす。

図２１は、材料ガスＡ〜Ｃの供給をパルス状に制御する場合の電磁バルブの動作を示す図である。図中では、材料ガスＡ〜Ｃの各反応炉への供給のタイミングと、電磁バルブＶａ〜Ｖｆの開閉状態との関係が示されている。区間Ａが、Ｔ０〜Ｔ１０にさらに細分化されている。

図２０および図２１から分かるように、この方法では、１サイクル中で、材料ガスＡの供給が終了し、他の材料ガスＢ、材料ガスＣの供給が継続する間、材料ガスＡの流量を次の供給タイミングで安定するように一定に維持しておく必要がある。このため、プロセス時に一時的に使用しない材料ガスであっても、一定の流量を保ったまま、パージライン１３０側へ流し続ける必要があり、材料ガスを無駄に廃棄することになる。

また、原子層成長における１サイクル当たりの基板上の結晶成長は、現状、僅か数Å程度である。このため、数μｍ以上の膜厚が必要となる半導体素子の成膜においては、少なくとも５０００〜１００００サイクル以上、成長時間に換算すると５〜１０時間以上の製造工程が必要となる。

材料ガスの供給をパルス状に制御する場合、材料ガスの切り替え制御を行なう電磁バルブは、長時間に渡って連続的に、瞬間的な開閉動作を繰り返すことになる。このため、通常の気相成長と比べて、電磁バルブなどのパーツに過剰なストレスが加わることとなり、気相成長装置の機能が劣化したり故障が発生し易くなったりする問題がある。

また、気相成長装置に使用される電磁バルブの開閉動作の耐久回数は、一般的に高性能なものでも５０万〜１００万回程度と言われている。このため、原子層成長の実使用時間においては、成長条件や使用環境にも左右されるが、僅か５０回〜１００回程度の成長回数で、パーツが消耗し、メンテナンス交換の必要性が発生することも考えられる。

このような理由から、材料ガスの供給をパルス状に制御する気相成長装置においては、原子層成長の実施が可能という利点の反面、材料ガスの消費量、メンテナンスやパーツ交換の頻度が高くなることによって、装置の運用コストの増大や生産性を大幅に悪化させるという問題がある。

また、特許文献４に開示された気相成長装置では、反応炉内を材料ガスごとに区切り、基板がその区切られた空間を交互に移動するように基板支持体を回転させる。この構成では、基板支持体の回転速度を調整することによって、材料ガスを交互供給するサイクルタイミングを変更する。しかしながら、基板支持体の回転速度が変わると、基板の公転速度（基板表面と材料ガスの流れとの相対速度）も変わる。この場合、成膜に影響を与える２つのパラメータ（材料ガスを交互供給するサイクルタイミング、基板の公転速度）が変化することとなり、成長条件の設定が難しくなるという問題がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、パーツの消耗を防ぎ、かつ材料ガスの消費効率に優れる気相成長装置および気相成長方法を提供することである。

この発明に従った気相成長装置は、基板が配置される複数の反応室と、ガス供給部材と、筒状のガス流れ規制部材とを備える。複数の反応室は、周方向に並ぶ。ガス供給部材は、複数の反応室に通じる複数のガス流路を形成する。ガス供給部材は、複数の反応室の中心に設けられる。ガス流れ規制部材は、ガス供給部材の外周上に設けられる。ガス流れ規制部材は、複数のガス流路を閉塞する。複数の反応室は、第１反応室群および第２反応室群を含む。複数のガス流路は、互いに異なる材料ガスが流通する第１ガス流路および第２ガス流路を含む。ガス流れ規制部材には、第１ガス供給口と第２ガス供給口とが、周方向に交互に形成されている。第１ガス供給口は、第１反応室群および第２反応室群のいずれか一方と第１ガス流路とを連通させる。第２ガス供給口は、第１反応室群および第２反応室群のいずれか他方と第２ガス流路とを連通させる。ガス流れ規制部材および複数の反応室は、相対的に移動可能に設けられている。ガス流れ規制部材および複数の反応室の相対的な移動により、互いに連通するガス流路と反応室群との組み合わせが入れ替わる。

このように構成された気相成長装置によれば、ガス流れ規制部材および複数の反応室を相対的に移動させることにより、第１反応室群および第２反応室群にそれぞれ配置された基板に、異なる材料ガスを交互に供給する。この際、材料ガスは、第１ガス供給口および第２ガス供給口を通じて交互に入れ替わるように第１反応室群および第２反応室群に導入される。このため、材料ガスの無駄を抑え、その消費効率を向上させることができる。また、ガス流れの切り替えを、ガス流れ規制部材および複数の反応室の相対的な移動によって行なうため、気相成長装置を構成するパーツの消耗を防ぐことができる。

また好ましくは、ガス供給部材は、複数のガス流路を区画形成する多重管構造を有する。このように構成された気相成長装置によれば、ガス供給部材をコンパクトに配置することができる。

また好ましくは、ガス流れ規制部材および複数の反応室は、ガス供給部材を中心に相対的に回転可能に設けられている。このように構成された気相成長装置によれば、ガス流れ規制部材および複数の反応室を相対的に回転させることにより、互いに連通するガス流路と反応室群との組み合わせが連続して入れ替わる。

また好ましくは、ガス流れ規制部材は、複数のガス流路を閉塞する位置から退避することが可能である。このように構成された気相成長装置によれば、異なる材料ガスを同時に複数の反応室に供給することが可能となる。これにより、材料ガスの供給条件の幅が広がり、気相成長の制御性を向上させることができる。

また好ましくは、気相成長装置は、複数のガス流路から供給された材料ガスを基板に向けて案内するガイドプレートをさらに備える。ガイドプレートには、ガス流れ規制部材を格納する溝が形成されている。ガス流れ規制部材が溝に格納された状態で溝から露出するガス流れ規制部材の端面は、傾斜部を含む。傾斜部は、ガイドプレートの壁面と同じ傾きを有する。このように構成された気相成長装置によれば、ガス流れ規制部材が溝に格納された状態で、基板に向かうガス流れが乱れることを防止できる。

また好ましくは、Ｎ個（Ｎ：２以上の偶数）の反応室が設けられている場合に、各反応室が３６０／Ｎ（度）の等角度で配設されている。このように構成された気相成長装置によれば、各反応室の成長条件を同一として、複数の反応室間で均一となる気相成長を行なうことができる。

また好ましくは、ガス流れに直交する平面で切断した場合の各反応室の断面積は、ガス流れの上流側における基板の端部と、ガス流れの下流側における基板の端部との間で一定である。このように構成された気相成長装置によれば、ガス流れの上流側と下流側との間で、気相成長の条件がばらつくことを抑制できる。

この発明に従った気相成長方法は、上述のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、基板の表面上に薄膜を成長させる気相成長方法である。気相成長方法は、複数のガス流路に材料ガスを導入するステップと、ガス流れ規制部材および複数の反応室を相対的に移動させつつ、材料ガスを複数のガス流路を通じて複数の反応室に供給するステップとを備える。材料ガスを供給するステップ時、第１ガス供給口により第１反応室群と第１ガス流路とを連通させ、第２ガス供給口により第２反応室群と第２ガス流路とを連通させるステップと、第１ガス供給口により第２反応室群と第１ガス流路とを連通させ、第２ガス供給口により第１反応室群と第２ガス流路とを連通させるステップとを交互に実施する。

このように構成された気相成長方法によれば、材料ガスの無駄を抑え、材料ガスの消費効率を向上させることができる。

また好ましくは、材料ガスを供給するステップは、複数の反応室内で基板を所定温度に保持するとともに、基板の表面上に異なる材料ガスを交互に供給することにより、薄膜を成長させるステップを含む。このように構成された気相成長方法によれば、原子層成長法によって、結晶性に優れた高品質な薄膜を基板上に形成することができる。

また好ましくは、材料ガスを供給するステップは、ガス流れ規制部材および複数の反応室を、ガス供給部材を中心に相対的に回転させるステップを含む。ガス流れ規制部材および複数の反応室の相対的な回転速度を、基板に材料ガスを供給する期間の長さに基づいて設定する。このように構成された気相成長方法によれば、材料ガスの供給期間を容易に調整できるため、気相成長の制御性を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、パーツの消耗を防ぎ、かつ材料ガスの消費効率に優れる気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における気相成長装置を示す斜視図である。図２は、図１中の気相成長装置を示す断面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った気相成長装置の平面図である。

図１から図３を参照して、気相成長装置１０は、ＬＥＤや半導体レーザーの製造工程に用いられるＭＯＣＶＤ装置である。気相成長装置１０は、チャンバ１１内に形成された複数の反応室１８と、複数の反応室１８に複数種類の材料ガスを供給するガス供給部材３０と、ガス供給部材３０から複数の反応室１８に供給されるガス流れを制御するガス流れ規制部材４０とを含む。

複数の反応室１８は、周方向に並んで形成されている。周方向に並ぶ複数の反応室１８の中心には、ガス供給部材３０が配置されている。互いに隣り合う反応室１８間は、ガス流路仕切り板１４によって区画されている。ガス流路仕切り板１４は、ガス供給部材３０を中心に放射状に延在する。ガス流路仕切り板１４は、等角度ごとに設けられている。反応室１８は、底面１８ｃと上面１８ｂとを含む。底面１８ｃと上面１８ｂとは、互いに対向する。ガス流路仕切り板１４の壁面と、底面１８ｃおよび上面１８ｂとによって、各反応室１８が区画形成されている。反応室１８内のガス流れに直交する平面で切断した場合の反応室１８の断面積は、ガス流れの上流側から下流側に向かうに従って徐々に大きくなる。

Ｎ個（Ｎ：２以上の偶数）の反応室１８が設けられている場合に、各反応室１８が３６０／Ｎ°の等角度で配設されている。本実施の形態では、８個の反応室１８が設けられており、各反応室１８が４５°の等角度で配設されている。複数の反応室１８は、互いに同一の形状を有する。

複数の反応室１８は、反応室群１８Ｘと反応室群１８Ｙとを含む。反応室群１８Ｘを構成する反応室１８と、反応室群１８Ｙを構成する反応室１８とは、周方向に交互に形成されている。

各反応室１８には、基板２０が配置されている。基板２０は、底面１８ｃに配置されている。基板２０は、薄膜が形成される表面２０ａを含む。表面２０ａと底面１８ｃとは、互いに平行に延在する。基板２０は、表面２０ａが反応室１８内のガス流れに平行に延在するように配置されている。基板２０は、表面２０ａが水平方向に延在するように配置されている。基板２０は、サセプタ１２によって保持されている。サセプタ１２は、図示しない回転駆動機構に接続されている。その回転駆動機構を駆動させることにより、基板２０は、表面２０ａに平行な平面内で回転する。これにより、基板２０の温度の均一化が図られる。サセプタ１２の下方には、基板２０を加熱するヒータ１６が配置されている。なお、基板２０を自転させる機構は必ずしも設けられなくてもよい。

気相成長装置１０は、ガス排出部１９を含む。ガス排出部１９は、周方向に並ぶ複数の反応室１８の外周上に設けられている。ガス供給部材３０の外周上に、複数の反応室１８とガス排出部１９とが内側から順に設けられている。

ガス供給部材３０は、ガス流路３１およびガス流路３２を形成する。ガス流路３１およびガス流路３２は、それぞれガス吹き出し口３１ｈおよびガス吹き出し口３２ｈを含む。ガス吹き出し口３１ｈおよび３２ｈは、複数の反応室１８に開口する。ガス吹き出し口３１ｈおよびガス吹き出し口３２ｈは、周方向に延在する。ガス吹き出し口３１ｈおよびガス吹き出し口３２ｈは、上下にずれた位置で開口する。複数の反応室１８が並ぶ周方向の中心軸を想定した場合に、ガス吹き出し口３１ｈおよびガス吹き出し口３２ｈは、その中心軸の軸方向にずれた位置で開口する。

ガス供給部材３０は、ガス流路３１およびガス流路３２を区画形成する多重管構造を有する。ガス流路３１は、多重管構造の中心部に形成されている。ガス流路３２は、ガス流路３１の外側に形成されている。複数の反応室１８が並ぶ周方向の中心軸を想定した場合に、ガス供給部材３０は、複数の反応室１８に対してその中心軸に沿った一方の側に設けられている。

ガス流路３１およびガス流路３２には、それぞれ、反応室１８に供給される材料ガスＡおよび材料ガスＢが流れる。材料ガスＡと材料ガスＢとは、互いに異なる種類のガスである。材料ガスＡは、たとえばＴＭＡやＴＭＧ等のＶ族の有機金属ガスである。材料ガスＢは、たとえばアンモニア等のＩＩＩ族のガスである。

気相成長装置１０は、ガイドプレートとしての合流仕切り板３７を含む。合流仕切り板３７は、ガス供給部材３０の下方に配置されている。合流仕切り板３７は、周方向に並ぶ複数の反応室１８の中心部に設けられている。合流仕切り板３７は、ガス流路３１に流れる材料ガスＡを基板２０に向けて案内する。ガス流路３１を流れる材料ガスＡは、合流仕切り板３７によってその進行方向を略９０度、変化させ、基板２０に向かって流れる。合流仕切り板３７は、基板２０の表面２０ａ等からの輻射による温度上昇を避けるため、表面２０ａより窪んだ形状を有する。

ガス供給部材３０は、ガス流路３３を形成する。ガス流路３３は、多重管構造を有するガス供給部材３０において、ガス流路３２の外側に形成されている。本実施の形態では、ガス供給部材３０が３層の多重管構造を有する。ガス流路３３には、反応室１８に供給される材料ガスＣが流れる。材料ガスＣは、窒素等のバリアガスである。ガス流路３３から反応室１８に供給された材料ガスＣは、反応室１８の上面１８ｂに沿って流れる。これにより、反応室１８に供給された材料ガスＡおよびＢと上面１８ｂとの間が、バリアガスである材料ガスＣによって遮られる。これにより、上面１８ｂに材料ガスＡおよびＢによる生成物が付着することを防ぐ。

ガス流路３１を通り、ガス吹き出し口３１ｈから流出した材料ガスＡと、ガス流路３２を通り、ガス噴き出し口３２ｈから流出した材料ガスＢとは、ガス吹き出し口３１ｈおよび３２ｈの近傍で混合する。混合した材料ガスＡおよびＢは、各反応室１８へ水平方向に層流状態で流れる。混合した材料ガスＡおよびＢは、各反応室１８内を放射状に流れる。加熱された基板２０上で材料ガスＡおよびＢが熱化学反応を起こすことにより、基板２０の表面上に膜が成長する。基板２０を通過した材料ガスは、ガス排出部１９を流れ、外部に排出される。

図４は、図１中の気相成長装置に設けられたガス流れ規制部材を示す斜視図である。図５は、図４中のガス流れ規制部材がガス流路を塞ぐ状態を示す断面図である。

図４および図５を参照して、ガス流れ規制部材４０は、筒形状を有する。ガス流れ規制部材４０は、円筒形状を有する。ガス流れ規制部材４０と複数の反応室１８とは、相対的に移動可能に設けられている。ガス流れ規制部材４０と複数の反応室１８とは、ガス供給部材３０を中心に相対的に回転可能に設けられている。本実施の形態では、ガス流れ規制部材４０が、ガス供給部材３０を中心に回転可能に設けられている。ガス流れ規制部材４０は、アクチュエータとしての図示しない回転駆動手段に接続されている。

ガス流れ規制部材４０は、ガス流路３１および３２を塞ぐように設けられている。ガス流れ規制部材４０は、ガス流路３１および３２を塞ぐ位置から退避可能なように設けられている。本実施の形態では、ガス流れ規制部材４０が、上下方向にスライド移動可能なように設けられている。上方向にスライド移動したガス流れ規制部材４０によって、ガス流路３１および３２が閉塞される。図２に示すように、ガス流れ規制部材４０が下方向に移動することによって、ガス流路３１および３２を塞ぐ位置から退避する。このとき、図３に示すように、材料ガスＡおよびＢの混合ガスが各反応室１８内を放射状に流れる。

ガス流れ規制部材４０には、ガス供給口４１およびガス供給口４２が形成されている。ガス流れ規制部材４０がガス流路３１および３２を閉塞する位置で、ガス供給口４１を通じて、ガス流路３１と反応室群Ｘおよび反応室群Ｙのいずれか一方とが連通し、ガス供給口４２を通じてガス流路３２と反応室群Ｘおよび反応室群Ｙのいずれか他方とが連通する。

ガス供給口４１およびガス供給口４２は、複数の反応室１８が並ぶ周方向に交互に並んで形成されている。ガス供給口４１およびガス供給口４２は、交互に段違いで形成されている。ガス供給口４１およびガス供給口４２は、ガス吹き出し口３１ｈおよびガス吹き出し口３２ｈの位置関係に対応し、上下にずれた位置に形成されている。ガス供給口４１およびガス供給口４２の周方向の長さは、ガス供給口４１および４２が開口する位置での各反応室１８の円周方向の幅と同じである。

ガス供給口４１およびガス供給口４２は、互いに同一形状を有し、周方向において均等に形成されている。本実施の形態では、反応室１８が８個に区切られているため、ガス供給口４１およびガス供給口４２が、それぞれ４個ずつ均等に形成されている。ガス供給口４１および４２は、略矩形形状を有する。ガス供給口４１および４２は、楕円や長円等の円形や、矩形以外の多角形状を有してもよい。

図６は、図５中の反応室内に形成されるガス流れの状態を示す平面図である。図７は、図５中の反応室内に形成されるガス流れの別の状態を示す平面図である。

図５から図７を参照して、基板２０の表面２０ａに薄膜を形成する成膜工程時、ガス流路３１〜３３にそれぞれ材料ガスＡ〜Ｃを連続的に導入する。ガス流れ規制部材４０をガス流路３１および３２を閉塞する位置にスライド移動させる。ガス流れ規制部材４０をガス供給部材３０を中心に回転させつつ、複数の反応室１８に材料ガスＡ〜Ｃを供給する。このとき、ガス供給口４１を通じてガス流路３１と反応室群１８Ｘとが連通し、ガス供給口４２を通じてガス流路３２と反応室群１８Ｙとが連通する状態と、ガス供給口４１を通じてガス流路３１と反応室群１８Ｙとが連通し、ガス供給口４２を通じてガス流路３２と反応室群１８Ｘとが連通する状態とが、交互に入れ替わる。結果、材料ガスＡおよび材料ガスＢが、それぞれガス供給口４１およびガス供給口４２を通じて、反応室群Ｘおよび反応室群Ｙに交互に供給される。

このようにガス流れ規制部材４０によって材料ガスＡおよびＢの流れを規制することにより、パージラインに材料ガスを廃棄することなく、ガス流れ供給部材３０に供給された材料ガスを全て反応室１８に供給することが可能となる。

図８は、図２中の２点鎖線ＶＩＩＩで囲まれた範囲を示す断面図である。図９は、図８中のガス流れ規制部材の詳細形状を示す断面図である。

図８および図９を参照して、合流仕切り板３７には、ガス流れ規制部材４０を格納する溝５１が形成されている。ガス流れ規制部材４０は、端面４３を含む。ガス流れ規制部材４０が溝５１に格納された状態で、端面４３は溝５１から露出する。端面４３は、材料ガスＡの流路の壁面の一部をなす。ガス流れ規制部材４０が上方向にスライド移動した時、ガス流れ規制部材４０は、材料ガスＢと材料ガスＣとを分離するガイドの下面にわずかな隙間を設けるように位置決めされる。

端面４３は、傾斜部４５と水平部４４とを含む。傾斜部４５は、合流仕切り板３７の壁面３７ｃと同じ傾きαを有する。水平部４４は、反応室１８の底面１８ｃと同じ傾きを有する。水平部４４は、水平方向に延在する。このような構成により、ガス流れ規制部材４０が溝５１に格納された状態で、ガス供給部材３０から反応室１８に供給されるガス流れが乱れることを防ぐ。

図１０は、図１中の気相成長装置において、原子層成長の成膜時、材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給量の変化を示すタイミングチャート図である。図１０を参照して、図中の横軸は、材料ガスを供給する時間またはタイミングを示し、縦軸は、材料ガスの供給量を示す。ガス流れ規制部材４０がガス流路３１および３２を閉塞する図５に示す状態において、反応室Ｉ（反応室群Ｘを構成する反応室）と、反応室Ｉに隣接する反応室ＩＩ（反応室群Ｙを構成する反応室）との各材料ガスの供給量変化が、同じ時間軸で記載されている。反応室Ｉへの材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給タイミングと、反応室ＩＩへの材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給タイミングとは逆になる。

図１１は、材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給量の変化を示す別のタイミングチャート図である。図１１を参照して、図中には、図１０中に示す場合よりもガス流れ規制部材４０の回転速度を大きくした場合の材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給量の変化が示されている。原子層成長の１サイクルの時間（区間Ｂ）が、図１０中の原子層成長の１サイクルの時間（区間Ａ）より短くなる。原子層成長の１サイクルの時間は、ガス流れ規制部材４０の回転速度によって制御可能である。言い換えれば、ガス流れ規制部材４０の回転速度を、基板２０に材料ガスＡおよびＢを供給する期間の長さに基づいて設定する。

このように、それぞれ固有の供給タイミングにおいて材料ガスＡおよびＢを単独で各反応室１８に供給するサイクルを複数回繰り返すことによって、基板２０の表面２０ａ上に、原子層レベルで結晶性の揃った薄膜を形成する。

この発明の実施の形態１における気相成長装置１０は、基板２０が配置される複数の反応室１８と、ガス供給部材３０と、筒状のガス流れ規制部材４０とを備える。複数の反応室１８は、周方向に並ぶ。ガス供給部材３０は、複数の反応室１８に通じる複数のガス流路を形成する。ガス供給部材３０は、複数の反応室１８の中心に設けられる。ガス流れ規制部材４０は、ガス供給部材３０の外周上に設けられている。ガス流れ規制部材４０は、複数のガス流路を閉塞する。複数の反応室１８は、第１反応室群としての反応室群１８Ｘおよび第２反応室群としての反応室群１８Ｙを含む。複数のガス流路は、互いに異なる材料ガスＡおよび材料ガスＢがそれぞれ流通するガス流路３１およびガス流路３２を含む。ガス流れ規制部材４０には、第１ガス供給口としてのガス供給口４１と第２ガス供給口としてのガス供給口４２とが、周方向に交互に形成されている。ガス供給口４１は、反応室群１８Ｘおよび反応室群１８Ｙのいずれか一方とガス流路３１とを連通させる。ガス供給口４２は、反応室群１８Ｘおよび反応室群１８Ｙのいずれか他方とガス流路３２とを連通させる。ガス流れ規制部材４０および複数の反応室１８は、相対的に移動可能に設けられている。ガス流れ規制部材４０および複数の反応室１８の相対的な移動により、互いに連通するガス流路３１，３２と反応室群１８Ｘ，１８Ｙとの組み合わせが入れ替わる。

このように構成された、この発明の実施の形態１における気相成長装置および気相成長方法によれば、材料ガスの消費の無駄を無くすことによって、材料ガスの利用効率を低下させずに原子層成長を行なうことができる。また、本実施の形態では、電磁バルブ等の制御機器を用いることなく、互いに異なる材料ガスＡおよびＢを各反応室１８に交互に供給することができる。このため、パーツの消耗を抑え、装置に負担をかけずに原子層成長を行なうことができる。これにより、メンテナンスやパーツの交換頻度を抑えることができる。

図１２は、図１中に示す気相成長装置の第１の変形例を示す平面図である。図１２を参照して、本変形例では、４枚のガス流路仕切り板１４によって、４個の反応室１８が区画形成されている。各反応室１８には複数の基板２０が配置されている。図中では、各反応室１８に、基板２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが配置されている。この場合、同時に処理される基板２０の枚数が１２枚となり、図６および図７中に示す場合と比較して生産効率を向上させることができる。

図１３は、図１中に示す気相成長装置の第２の変形例を示す平面図である。図１３を参照して、本変形例では、ガス流路仕切り板１４によって、互いに異なる形状を有する複数種類の反応室１８が区画形成されている。ガス流路仕切り板１４は、必ずしも放射状に延在するように形成されなくてもよい。

図１４は、図１中に示す気相成長装置の第３の変形例を示す斜視図である。図１４を参照して、基板２０は、反応室１８に形成されるガス流れの最も上流側に位置する上流端２０ｍと、最も下流側に位置する下流端２０ｎとを含む。本変形例では、ガス流れに直交する平面で切断した場合の反応室１８の断面積Ｓが、上流端２０ｍと下流端２０ｎとの間で一定である。各反応室１８の幅は、反応室１８内のガス流れの上流側から下流側に向けて一定である。このような構成により、表面２０ａ上で材料ガスの流速がばらつくことを抑制し、表面２０ａにより均一な成膜を実施することができる。

なお、以上に説明した気相成長装置では、反応室１８の底面１８ｃ上に基板２０を配置したが、基板２０の配置の形態はこれに限られない。基板２０は、水平に対して傾いて配置されてもよい。基板２０は、たとえば、鉛直方向に延在する基板設置面に配置されてもよい。このとき、基板２０は、表面２０ａと反応室１８内のガス流れとが平行になるように配置されてもよいし、表面２０ａと反応室１８内のガス流れとが直交するように配置されてもよい。また、基板設置面を多角錐の外側面となるように設け、その基板設置面に基板２０を配置してもよい。

また、反応室群１８Ｘおよび反応室群１８Ｙは、隣接する複数個（たとえば２個）の反応室１８の組みからそれぞれ構成されてもよい。また、ガス流れ規制部材４０によって流れが規制される材料ガスは、３種類以上あってもよい。本発明の適用により、各反応室に３種類の材料ガスが順次供給される気相成長装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図１５は、この発明の実施の形態２における気相成長装置を示す断面図である。本実施の形態における気相成長装置は、実施の形態１における気相成長装置１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１５を参照して、本実施の形態における気相成長装置は、図２中のガス供給部材３０に替えてガス供給部材７０を含む。ガス供給部材７０は、ガス流路７１およびガス流路７２を形成する。複数の反応室１８が並ぶ周方向の中心軸を想定した場合に、ガス供給部材７０は、複数の反応室１８に対してその中心軸に沿った両側に設けられている。ガス流路７１およびガス流路７２は、材料ガスＡおよび材料ガスＢをそれぞれ下方向および上方向から反応室１８に供給する。ガス供給部材７０は、多重管構造を有さない。

ガス供給部材７０とは別に、複数の反応室１８に連通するガス流路７３が形成されている。ガス流路７３は、上面１８ｂに開口する。ガス流路７３には、バリアガスである材料ガスＣが流れる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

（実施の形態３）
図１６は、この発明の実施の形態３における気相成長装置を示す平面図である。本実施の形態における気相成長装置は、実施の形態１における気相成長装置１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１６を参照して、本実施の形態では、複数の反応室１８がガス流れ規制部材４０に対して回転可能に設けられている。複数の反応室１８は、ガス流路仕切り板１４とともにガス供給部材３０を中心に回転する。基板２０の表面２０ａに薄膜を形成する成膜工程時、複数の反応室１８を回転させつつ、複数の反応室１８に材料ガスＡ〜Ｃを供給する。このとき、反応室群１８Ｘおよび１８Ｙが交互にガス供給口４１および４２と対向することにより、材料ガスＡおよび材料ガスＢが反応室群Ｘおよび反応室群Ｙに交互に供給される。

このように構成された、この発明の実施の形態３における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

（実施の形態４）
図１７は、この発明の実施の形態４における気相成長装置を示す断面図である。図１８は、図１７中の気相成長装置に設けられたガス流れ規制部材を示す斜視図である。本実施の形態における気相成長装置は、実施の形態１における気相成長装置１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１７および図１８を参照して、本実施の形態では、図４中のガス流れ規制部材４０に替えてガス流れ規制部材８０が設けられている。ガス流れ規制部材８０には、ガス供給口８１〜８５が形成されている。ガス供給口８１，８２，８３，８４，８５は、挙げた順に上下に並ぶ。ガス供給口８１〜８５のうち上下に隣接するガス供給口は、複数の反応室１８が並ぶ周方向に交互に並んで形成されている。

図４中のガス流れ規制部材４０が回転可能に設けられていたのに対して、本実施の形態におけるガス流れ規制部材８０は、複数の反応室１８に対して上下にスライド移動可能に設けられている。ガス流れ規制部材８０は、ガス供給口８１〜８５が互いに隣り合うピッチ分だけスライド移動可能に設けられている。基板２０の表面２０ａに薄膜を形成する成膜工程時、ガス流れ規制部材８０を上下に往復運動させつつ、複数の反応室１８に材料ガスＡ〜Ｃを供給する。

図１８（Ａ）中には、ガス流れ規制部材８０が下方向にスライド移動した状態が示されている。このとき、ガス供給口８２を通じてガス流路３１と反応室群１８Ｘとが連通し、ガス供給口８３を通じてガス流路３２と反応室群１８Ｙとが連通する。また、ガス供給口８４および８５を通じてガス流路３３と反応室群１８Ｘおよび１８Ｙとが連通する。一方、図１８（Ｂ）中には、ガス流れ規制部材８０が上方向にスライド移動した状態が示されている。このとき、ガス供給口８１を通じてガス流路３１と反応室群１８Ｙとが連通し、ガス供給口８２を通じてガス流路３２と反応室群１８Ｘとが連通する。また、ガス供給口８３および８４を通じてガス流路３３と反応室群１８Ｘおよび１８Ｙとが連通する。

このような構成により、材料ガスＡおよび材料ガスＢが、それぞれガス供給口８１〜８３を通じて、反応室群Ｘおよび反応室群Ｙに交互に供給されると同時に、材料ガスＣが、ガス供給口８３〜８５を通じて、反応室群ＸおよびＹに供給される。本実施の形態における気相成長装置と比較して、実施の形態１における気相成長装置１０では、ガス供給口を共用する必要がなく寸法的制約が小さいという利点がある。また、ガス流れ規制部材４０の内筒面が異種の材料ガスに晒されることがないため、反応物質の付着が抑制されるという利点もある。

このように構成された、この発明の実施の形態４における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

なお、本実施の形態では、図１７中に円筒形状を有するガス流れ規制部材８０を示したが、これに限られず、ガス流れ規制部材８０は、円筒以外の筒形状を有してもよい。ガス流れ規制部材８０は、たとえば断面が多角形となる筒形状を有してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における気相成長装置を示す斜視図である。図１中の気相成長装置を示す断面図である。図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った気相成長装置の平面図である。図１中の気相成長装置に設けられたガス流れ規制部材を示す斜視図である。図４中のガス流れ規制部材がガス流路を塞ぐ状態を示す断面図である。図５中の反応室内に形成されるガス流れの状態を示す平面図である。図５中の反応室内に形成されるガス流れの別の状態を示す平面図である。図２中の２点鎖線ＶＩＩＩで囲まれた範囲を示す断面図である。図８中のガス流れ規制部材の詳細形状を示す断面図である。図１中の気相成長装置において、原子層成長の成膜時、材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給量の変化を示すタイミングチャート図である。材料ガスＡおよび材料ガスＢの供給量の変化を示す別のタイミングチャート図である。図１中に示す気相成長装置の第１の変形例を示す平面図である。図１中に示す気相成長装置の第２の変形例を示す平面図である。図１中に示す気相成長装置の第３の変形例を示す斜視図である。この発明の実施の形態２における気相成長装置を示す断面図である。この発明の実施の形態３における気相成長装置を示す平面図である。この発明の実施の形態４における気相成長装置を示す断面図である。図１７中の気相成長装置に設けられたガス流れ規制部材を示す斜視図である。気相成長装置の一例を示す図である。図１９中の気相成長装置において、材料ガスＡ〜Ｃの供給量の変化を示す概略図である。材料ガスＡ〜Ｃの供給をパルス状に制御する場合の電磁バルブの動作を示す図である。

符号の説明

１０気相成長装置、１８反応室、１８Ｘ，１８Ｙ反応室群、２０基板、２０ｍ上流端、２０ｎ下流端、３０，７０ガス供給部材、３１，３２，７１，７２ガス流路、３７合流仕切り板、４０，８０ガス流れ規制部材、４１，４２，８１〜８５ガス供給口、４３端面、４５傾斜部、５１溝。

Claims

基板が配置され、周方向に並ぶ複数の反応室と、
前記複数の反応室に通じる複数のガス流路を形成し、前記複数の反応室の中心に設けられるガス供給部材と、
前記ガス供給部材の外周上に設けられ、前記複数のガス流路を閉塞する筒状のガス流れ規制部材とを備え、
前記複数の反応室は、第１反応室群および第２反応室群を含み、
前記複数のガス流路は、互いに異なる材料ガスが流通する第１ガス流路および第２ガス流路を含み、
前記ガス流れ規制部材には、前記第１反応室群および前記第２反応室群のいずれか一方と前記第１ガス流路とを連通させる第１ガス供給口と、前記第１反応室群および前記第２反応室群のいずれか他方と前記第２ガス流路とを連通させる第２ガス供給口とが、周方向に交互に形成され、
前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室は、相対的に移動可能に設けられ、
前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室の相対的な移動により、互いに連通するガス流路と反応室群との組み合わせが入れ替わる、気相成長装置。
前記ガス供給部材は、前記複数のガス流路を区画形成する多重管構造を有する、請求項１に記載の気相成長装置。
前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室は、前記ガス供給部材を中心に相対的に回転可能に設けられている、請求項１または２に記載の気相成長装置。
前記ガス流れ規制部材は、前記複数のガス流路を閉塞する位置から退避することが可能である、請求項１から３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
前記複数のガス流路から供給された材料ガスを前記基板に向けて案内するガイドプレートをさらに備え、
前記ガイドプレートには、前記ガス流れ規制部材を格納する溝が形成され、
前記ガス流れ規制部材が前記溝に格納された状態で前記溝から露出する前記ガス流れ規制部材の端面は、前記ガイドプレートの壁面と同じ傾きを有する傾斜部を含む、請求項４に記載の気相成長装置。
Ｎ個（Ｎ：２以上の偶数）の反応室が設けられている場合に、各反応室が３６０／Ｎ（度）の等角度で配設されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
ガス流れに直交する平面で切断した場合の各反応室の断面積は、ガス流れの上流側における前記基板の端部と、ガス流れの下流側における前記基板の端部との間で一定である、請求項１から６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の気相成長装置を用いて、前記基板の表面上に薄膜を成長させる気相成長方法であって、
前記複数のガス流路に材料ガスを導入するステップと、
前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室を相対的に移動させつつ、材料ガスを前記複数のガス流路を通じて前記複数の反応室に供給するステップとを備え、
前記材料ガスを供給するステップ時、前記第１ガス供給口により前記第１反応室群と前記第１ガス流路とを連通させ、前記第２ガス供給口により前記第２反応室群と前記第２ガス流路とを連通させるステップと、前記第１ガス供給口により前記第２反応室群と前記第１ガス流路とを連通させ、前記第２ガス供給口により前記第１反応室群と前記第２ガス流路とを連通させるステップとを交互に実施する、気相成長方法。
前記材料ガスを供給するステップは、前記複数の反応室内で前記基板を所定温度に保持するとともに、前記基板の表面上に異なる材料ガスを交互に供給することにより、薄膜を成長させるステップを含む、請求項８に記載の気相成長方法。
前記材料ガスを供給するステップは、前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室を、前記ガス供給部材を中心に相対的に回転させるステップを含み、
前記ガス流れ規制部材および前記複数の反応室の相対的な回転速度を、前記基板に材料ガスを供給する期間の長さに基づいて設定する、請求項８または９に記載の気相成長方法。