JP2010245135A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷媒中間室のヒータからの加熱による劣化や破損を防止し、かつ、作製が容易で、かつシャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る冷媒中間室を備える気相成長装置を提供する。
【解決手段】
シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、前記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室を前記シャワープレート側にして順に積層され、
前記冷媒中間室には、前記ガス中間室から前記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通させるためのガス供給管貫通孔が設けられ、
前記冷媒中間室がシャワープレート、ガス中間室との境界板、ガス供給貫通孔との仕切り部で構成されており、
前記シャワープレートと前記ガス供給貫通孔との仕切り部が一体となった構造となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 等の気相成長装置に関するものである。

従来、発光ダイオード及び半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又は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 ）又はアルシン（ＡｓＨ_３ ）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 法が用いられている。

ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを水素等のキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。

図１１に、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例の模式的な構成を示す。

このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源１０２から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３が接続されており、反応炉１０１における内部の成長室１１１の上部には該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。

また、反応炉１０１の成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端にはシャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には該サセプタ１０８を加熱するためのヒータ１０９が取り付けられている。

さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。

上記構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０８に基板１０７を設置し、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８を回転させ、ヒータ１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入する。

複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出口から基板１０７に反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。

しかし、この方法では、ヒータ１０９からの輻射熱により、シャワープレート１１０の表面が加熱されてしまうため、反応ガスが基板１０７上に到達し、反応することによって薄膜を形成する前に、シャワープレート１１０の表面で一部の化学反応が進行する。これにより、シャワープレート１１０の表面で生成物が形成されてしまい、シャワープレート１１０のガス吐出孔が生成物により詰まりを起こしてしまい、原料ガス及び不活性ガスが均一に基板１０７の表面に到達できなくなってしまい、均一な薄膜を形成することができなかった。

この問題を解決するため、例えば、特許文献１に開示された気相成長装置２００では、図１２に示すように、ガス通路部を除くシャワープレート２０１の内部に冷媒を導入し、シャワープレート２０１の内部におけるガス通路部の上下及び側面から冷却を行い輻射熱によるシャワープレート２０１の温度上昇を抑制している。また、側壁２０２には冷媒ジャケット２０３を配置し、その内部にも冷媒を導入し、合わせてシャワープレート２０１の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。

また、近年では、複数の供給ガスそれぞれに、中間室を設け、この中間室からそれぞれの反応ガスをシャワープレートのガス吐出孔を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が一般的によく用いられる。これは、シャワーヘッド内で気相反応が生ずるのを避けるためである。この場合、III 族系ガス吐出孔とＶ族系ガス吐出孔とは交互に近接配置されるため、例えば、図１３に示す特許文献２に開示された反応容器３００のように、III 族系ガスの中間室３０１とＶ族系ガスの中間室３０２とを２層上下に配置し、それぞれのガスが成長室３０３以外で混合しないように、ガス流路が分離された積層構造がよく用いられている。

この特許文献２に開示された反応容器３００においても、シャワープレート３０４の上面に冷却チャンバ３０５を設け、ギャラリー３０６を介して冷媒を導入し、シャワープレート３０４の冷却を行い、シャワープレート３０４の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。

特開２００６−２１６８３０号公報（２００６年８月１７日公開） 特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）

ところで、シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、冷媒中間室には、ガス中間室からシャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられる場合、冷媒中間室には、ガス供給管を貫通させるためのガス供給管貫通孔が設けられており、冷媒中間室はシャワープレート、ガス中間室との境界板、ガス供給管を貫通させるための仕切り部で構成される。

一般的に、このような構成の冷媒中間室は、シャワープレート、仕切り部およびガス供給管貫通孔となる中空パイプ、ガス中間室との境界板を溶接などによって接続することによって作製される。

しかし、このような方法で作製された場合、ヒータが冷媒中間室の下側に設置されているため、冷媒中間室の下側、つまりシャワープレートが加熱され、シャワープレートと仕切り部を溶接した部位が熱によって歪が生じ、早く劣化することによって破損し、冷媒漏れなどのトラブルが起こることが問題であった。そのため、シャワープレートが高温下にさらされることになり、装置を安定して繰り返し稼動ができないという問題があった。

また、このような方法で作製する場合、大型化になるにつれ、作製のための手間が大きくなるとともに、加工精度が落ちるため、作製が困難という課題もあった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ヒータからの加熱によって破損することなく、かつ、装置が大型化しても容易に作製することのでき、かつシャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る冷却能力を有する冷媒中間室を備えた気相成長装置を提供することにある。

本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して、前記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、前記シャワープレート上に、前記ガスを充満させるガス中間室と、前記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、前記冷媒中間室には、前記ガス中間室から前記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通させるためのガス供給管貫通孔が設けられ、前記冷媒中間室が前記シャワープレート、前記ガス中間室との境界板、前記ガス供給貫通孔との仕切り部で構成されており、前記シャワープレートと前記ガス供給貫通孔との仕切り部が一体形成されていることを特徴としている。

上記の発明によれば、ヒータから冷媒中間室の下側が加熱されても、シャワープレートとガス供給貫通孔との仕切り部との間で分離や破損が起きない。すなわち、これまでのようにシャワープレートと仕切り部が溶接などで接合されていないため、分離や破損が起こるところがない。

したがって、高温に加熱しても安定操業が可能となる気相成長装置を提供することができる。

また、本発明の気相装置では、被成膜基板に向かって前記第１のガスが流れるガス流路が形成されており、
上記境界板から突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２のガスを流すガス導管を有していることを特徴としている。

このような構造にすることで、反応ガスの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。また、被処理基板に到達する前に附加化合物が発生するのを防ぐことができる。

本発明の気相装置では、前記冷媒中間室には、冷媒流路が前記複数の仕切り部の規制によって配列され、かつ、冷媒流路は直線状に交差していることが好ましい。

このような構造にすることで装置を大型化しても冷媒中間室の作製が容易となる。

本発明の気相装置では、前記冷媒流路が直交する２方向の直線状であることが好ましい。

このような構造にすることで装置を大型化しても冷媒中間室の作製がさらに容易となる。かつ、シャワープレート全体を均一に冷却する能力を有する。

本発明の気相装置では、前記冷媒中間室には冷媒導入口と冷媒排出口が対向して設けられており、前記冷媒流路が前記冷媒導入口と前記冷媒排出口をつなぐ直線からそれぞれ±４５度傾いた２方向の直線状であることが好ましい。

このような構造にすることで、装置を大型化しても冷媒中間室の作製が容易となるとともに、冷媒が流れやすくなり、冷却能力が向上する。

すなわち、冷媒が冷媒導入口から冷媒排出口に向かって流れる際に、流れの方向を妨げない構造になっているため、冷媒が流れやすくなる。

本発明の気相装置では、前記仕切り部の少なくとも１角を曲線構造とすることが好ましい。

このような構造にすることで、冷媒が流れやすくなり、冷却能力が向上する。

冷媒の流れは流路が交差する付近で滞りやすいが、流路が交差する場所である仕切り部の角を曲線構造とすることで、冷媒が流れやすくなる。

本発明の気相装置では、前記仕切り部の少なくとも１角の角を落した構造とすることが好ましい。

このような構造にすることで、冷媒が流れやすくなり、冷却能力が向上する。

冷媒の流れは流路が交差する付近で滞りやすいが、流路が交差する場所である仕切り部の角を落とした構造とすることによって、冷媒が流れやすくなる。

本発明の気相成長装置は、以上のように、ヒータによって冷媒中間室の下側が加熱されても破損などが起こることがなく、高温でも安定して操業でき、かつ作製が容易で、かつシャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る冷媒中間室を備えた気相成長装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明における気相成長装置の全体構成を示す概略図である。 上記気相成長装置におけるシャワーヘッドの構成を示す断面図である。 本発明における他の気相成長装置におけるシャワーヘッドの構成を示す断面図である。 シャワーヘッドの構成を示す組み立て分解斜視図である。 シャワーヘッドの構成を示す組み立て分解斜視図である。 本発明における実施形態の１つで、（ａ）は冷媒中間室に仕切り部の配列によって設けられた流路の１部分を拡大して示す平面図である。（ｂ）はシャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。 本発明における実施形態の１つで、冷媒中間室に仕切り部の配列によって設けられた流路の１部分を拡大して示す平面図である。 本発明における実施形態の１つで、（ａ）は冷媒中間室に仕切り部の配列によって設けられた流路の１部分を拡大して示す平面図である。（ｂ）はシャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。 本発明における実施形態の１つで、（ａ）は冷媒中間室に仕切り部の配列によって設けられた流路の１部分を拡大して示す平面図である。（ｂ）はシャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。 本発明における実施形態の１つで、（ａ）は冷媒中間室に仕切り部の配列によって設けられた流路の１部分を拡大して示す平面図である。（ｂ）はシャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。 従来の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来の他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。 従来のさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。

本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
（実施の形態１）
図１に、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１０の模式的な構成の一例を示す。

本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、図１に示すように、中空部である成長室１を有する反応炉２と、被成膜基板３を載置するサセプタ４と、上記サセプタ４に対向しかつ底面にシャワープレート２１を持つガス供給手段としてのシャワーヘッド２０とを含んでいる。

上記サセプタ４の下側には被成膜基板３を加熱するヒータ５及び支持台６が設けられており、支持台６に取り付けた回転軸７が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、上記サセプタ４及びヒータ５が、サセプタ４の上面（シャワープレート２１側の面）が対向するシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。上記サセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７の周囲には、ヒータカバーである被覆板８が、これらサセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７を取り囲むように設けられている。

また、ＭＯＣＶＤ装置１０は、成長室１の内部のガスを周辺のガス排出口を通して外部に排出するためのガス排出部１１と、このガス排出部１１に接続されたパージライン１２と、このパージライン１２に接続された排ガス処理装置１３とを有している。これにより、成長室１の内部に導入されたガスはガス排出部１１を通して成長室１の外部に排出され、排出されたガスはパージライン１２を通って排ガス処理装置１３に導入され、排ガス処理装置１３において無害化される。

さらに、ＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族元素を含む原料ガスとしてのIII 族系ガスの供給源となるIII 族系ガス供給源３１と、このIII 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのIII 族系ガス配管３２と、III 族系ガス供給源３１から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３３とを有している。上記III 族系ガス供給源３１は、III 族系ガス配管３２によって、マスフローコントローラ３３を介して、シャワーヘッド２０のIII 族系ガス供給部２３に接続されている。

なお、本実施の形態において、III 族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩｎ（インジウム）等があり、III 族元素を含むIII 族系ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。

また、このＭＯＣＶＤ装置１０は、Ｖ族元素を含む原料ガスとしてのＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源３４と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのＶ族系ガス配管３５と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されるＶ族系ガスの供給量を調節することができるＶ族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３６とを有している。上記Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族系ガス配管３５によって、マスフローコントローラ３６を介してシャワーヘッド２０のＶ族系ガス供給部２４に接続されている。

なお、本実施の形態において、Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）又はＡｓ（ヒ素）等があり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ_３ ）、ホスフィン（ＰＨ_３ ）又はアルシン（ＡｓＨ_３ ）等の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。

上記マスフローコントローラ３３・３６は図示しない制御部にて制御されるようになっている。

また、本実施の形態では、III 族系ガス供給部２３とシャワープレート２１との間に冷媒供給部２２が設けられており、この冷媒供給部２２には、シャワープレート２１を冷却するために、冷媒装置３７から冷媒供給配管３８を通して冷媒が供給されるようになっている。この冷媒は、シャワープレート２１の冷却を行った後、冷媒排出配管３９を通して図示しない排出ユーティリティへ排出されるようになっている。

なお、冷媒は、例えば、一般的な水を用いることができるが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。

次に、図２を用いてシャワーヘッド２０の構成を説明する。

シャワーヘッド２０は、図２に示すように、下から順番に、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４が積層されて構成されている。

上記シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４は積層配置であるため、本実施の形態では、Ｖ族系ガス供給部２４におけるガス個別中間室としてのＶ族系ガス中間室２４ｂのＶ族系ガスは、ガス個別中間室としてのIII 族系ガス中間室２３ｂ、および冷媒中間室２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのＶ族系ガス供給管２４ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ４から成長室１に吐出される。

また、III 族系ガス供給部２３におけるIII 族系中間室２３ｂのIII 族系ガスは、冷媒中間室２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのIII 族系ガス供給管２３ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３から成長室１に吐出される。

以下、それぞれについて、詳細に説明する。

図２に示すように、シャワープレート２１には、前記成長室１にIII 族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ４がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート２１の面内（前記サセプタ４に向かい合っている表面内）において、III 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ４とが交互に配列されている。図５に示す例においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。ただし、この格子は正方格子に限らず、菱形の格子等でもよい。また、図１に示す構成のシャワープレート２１における、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の開口部の面積と、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ４の開口部の面積とは同一となっている。

次に、各ガス供給部について説明する。

図２に示すように、III 族系ガス供給部２３は、シャワーヘッド２０の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔Ｈ３に導くため、III 族系ガス外環流路２３ａと、III 族系ガス中間室２３ｂと、このIII 族系ガス中間室２３ｂから成長室１に連通するIII 族系ガス供給管２３ｃとにより構成されている。なお、III 族系ガス供給管２３ｃの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。

一方、同様に、Ｖ族系ガス供給部２４は、シャワーヘッド２０の周辺部より供給された反応ガスを均一にＶ族系ガス吐出孔Ｈ４に導くため、冷媒外環室としてのＶ族系ガス外環流路２４ａと、Ｖ族系ガス中間室２４ｂと、Ｖ族系ガス供給管２４ｃとにより構成されている。なお、Ｖ族系ガス供給管２４ｃの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。

III 族系ガス中間室２３ｂ内には、Ｖ族系ガス供給管２４ｃが、それぞれのガスが混合しないよう分離されて配置されている。つまり、III 族系ガス中間室２３ｂの平面においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の位置には、III 族系ガス中間室２３ｂからIII 族系ガス吐出孔Ｈ３へ連通されるIII 族系ガス供給管２３ｃが配置されていると共に、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ４の位置には、Ｖ族系ガス中間室２４ｂからＶ族系ガス吐出孔Ｈ４に連通されるＶ族系ガス供給管２４ｃが柱のように林立していることになる。

次に、他のシャワーヘッド２０の例を図３に示す。 シャワープレート２１には、図示しない被処理基板に向かって第１ガス（III 族系ガス供給部２３）が流れる複数個のガス流路が、所定の間隔を空けて配置されて形成されている。上部シャワープレート３１は、図示しない被処理基板に向かって第２ガス（Ｖ族系ガス供給部２４）を流すために設けられてシャワープレート３１から突出して各ガス流路の内部に挿入された複数のガス導管を有している。ガス導管には、第２ガスが流れるガス流路２４ｃが形成されている。

シャワープレート２１には、第１ガスと第２ガスとが混合される混合室が、ガス導管の先端の前方においてガス流路の内壁により形成されている。 第１ガス、及び第２ガスが分離され、各ガスを独立に吐出するシャワープレート形状の複数のガス流路によって構成され、個々の第１ガス流路２３ｃ内に第２ガス流路２４ｃが（同芯状に）内包されて配設され、第１ガス流路出口Ｈ３は、反応炉壁面に形成され、第２ガス流路出口Ｈ４は、第１ガス流路出口Ｈ３よりも、ガス供給源側、（つまり、被処理基板より遠い側）に構成され、配置されることにより、個々の第１ガスと第２ガスとの混合室を構成し、第１ガス流路２３ｃと反応炉壁面との間に、第１ガス流路２３ｃを温度調整する冷媒流路が構成される。

第１ガス流路の境界板２６ａと第１ガス流路のシャワープレート２１とは、多数の貫通穴が形成され、距離Ａを保って配設されており、ガス流路２３ｃとなるガス導管が、気密を保つよう形成されている。ここで、シャワープレート２１と仕切り部２８は一体的に形成されているが、仕切り部２８と境界板２６ａは、気密を保つよう、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって接合されている。

上記のように構成することで、図２に示した本発明の構造に比べ、反応ガスの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。

また、被処理基板に到達する前に附加化合物が発生するのを防ぐことができる。

さらに、境界板２６ａと境界板２６ｂにそれぞれガス供給管２３ｃ、２４ｃが設けられているため、シャワーヘッド２０から独立して取り外し可能に設けられる。この場合、メンテナンス性が向上し、特に、シャワープレート内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる（従来の構造によると、ロウ付等により接合しているため、内部の完全な洗浄は不可能である。穴が小さく（φ０．６ｍｍ）、洗浄液が十分に流れ難く、よどみができるため、異物がたまる可能性が高い。）。

次に、冷媒供給部２２について、図４に基づいて説明する。

上記冷媒供給部２２は、図１に示すシャワープレート２１を一定の温度以下に冷却することによって、シャワープレート２１への反応生成物の付着を抑制し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４の目詰まりを防止する。

シャワーヘッド２０は、外側枠を構成する環状のフランジ２５と、このフランジ２５の最底面部に取り付けられるシャワープレート２１と、前記冷媒中間室２２ｂ、III 族系ガス中間室２３ｂ及びＶ族系ガス中間室２４ｂをそれぞれ上下方向で区画するために上記シャワープレート２１と平行に配される境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃとを備えている。

そして、上記シャワープレート２１と境界板２６ａとの間には、冷媒を前記冷媒中間室２２ｂに流入させる冷媒外環室２７を、フランジ２５の内側側面に形成するためのリング状壁としての冷媒用リング状壁２２ｄが設けられている。また、上記境界板２６ａと境界板２６ｂとの間には、III 族系ガスを前記III 族系ガス中間室２３ｂに流入させるIII 族系ガス外環流路２３ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのIII 族系ガス開口付きリング２３ｄが設けられている。さらに、上記境界板２６ｂと天板２６ｃとの間には、Ｖ族系ガスを前記Ｖ族系ガス中間室２４ｂに流入させるＶ族系ガス外環流路２４ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのＶ族系ガス開口付きリング２４ｄが設けられている。

これにより、冷媒中間室２２ｂ、III 族系ガス中間室２３ｂ及びＶ族系ガス中間室２４ｂがそれぞれ独立した部屋となっている。

上記冷媒外環室２６には、フランジ２５の一端に設けられた冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａから冷媒が供給されると共に、この冷媒外環室２６の冷媒は、このフランジ２５における冷媒供給配管３８とは１８０度対向する位置に設けられた冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａ（図５参照）から排出されるようになっている。

ここで、本実施の形態では、図２に示すように冷媒中間室２２ｂのシャワープレートとガス供給管を貫通させるための仕切り部は一体構造となっている。

つまり、シャワープレートと仕切り部は溶接などによって接合されているのではなく、1つの部材で構成されている。

作製方法としては、シャワープレートに研削や機械加工によって流路となる溝を作っていく。この場合、流路の構造、仕切り部の形状は特に限定されず、図５のような円形の仕切り部などがある。このような加工方法をとることによって、装置が大型化しても、直線状に複数の溝を作るだけで流路を容易に作成することができる。また、ヒータからの熱により最も熱応力がかかる部分が一体化されているため、破損することなく、冷媒漏れなどのトラブルも発生することなく、メンテナンスが容易になる。

また、本実施の形態では、さらに、冷媒中間室２２ｂにおいて、冷媒流路が前記複数の仕切り部の規制によって配列され、かつ、冷媒流路は直線状に交差している。

このような冷媒中間室を作製する方法として、たとえば、以下の方法が考えられる。

まず、シャワープレートに、ある一定方向にダイシングを行い、複数の溝を作る。次に境界板を所望の角度に回転させた後、ふたたび一定方向にダイシングを行う。必要であれば、この作業を繰り返す。このような作業で容易に交差する直線状の流路が形成される。この流路が形成されたシャワープレートにガス中間室との境界板を溶接やロウ付けといった方法で取り付けることによって冷媒中間室を作製することができる。この方法では、シャワープレートをダイシングする際に、作業板から取り外すことなく、交差する直線状の流路を作製することができるため、加工精度が高く、かつ作業時間が短い。また、大型化された場合でも加工しやすいという大きな利点をもつ。

交差する直線状の流路は特に限定されないが、たとえば図６に示すような構造であっても良い。

上記実施の形態で説明した構成、すなわち図７（ａ）に示す構成を基に、冷媒中間室２２ｂにおいて、仕切り部によって設けられた冷媒流路が直交する２方向の直線状とした場合の、冷媒の流れについてシミュレーションを実施した。

上記構成の冷媒中間室２２ｂにおける冷媒の流通経路について、図７（ｂ）に基づいて説明する。図７（ｂ）は、冷媒外環室２７における冷媒外環導入室２７ａを通して、冷媒中間室２２ｂ及び冷媒外環排出室２７ｂへ冷媒を流した状態のシミュレーションを実施した結果を示す。

シミュレーション条件は、冷媒供給配管３８から３ｍ／ｓの流速にて冷媒を導入する条件にて実施した。本条件は、冷媒中間室２２ｂ内を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの表面積、及び個数から算出されるコンダクタンスから設定した値である。

また、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの寸法は、内径Φ１７６ｍｍ、外径Φ２３０ｍｍ、及び高さ５ｍｍとしている。

さらに、冷媒外環導入室２７ａの側壁である冷媒用リング状壁２２ｄから冷媒を流入する冷媒用開口としての冷媒流入開口Ｈｉｎ、及び冷媒外環排出室２７ｂの冷媒用開口としての冷媒流出開口Ｈｏｕｔの直径及び配置については、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ中心軸の垂直方向に線対称となるように配置している。すなわち、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒流出開口Ｈｏｕｔは、冷媒外環室隔壁２８において、１８０度対向する位置に設けられている。

この結果、冷媒の流れに関し、図７（ｂ）に示すように、冷媒が冷媒中間室２２ｂの内部に充分に供給されることがわかり、シャワープレートを均一に冷却することができることがわかった。

実施例１で示した流路について異なる実施例を示す。すなわち、実施例１では、直線状の流路を冷媒中間室に設けられた冷媒導入口と冷媒排出口を結ぶ直線と平行及び垂直になるような構成であったが、この流路を傾斜させた場合について図８を基に説明を行なう。図８（ａ）のようにこの直線状の流路を冷媒中間室に設けられた冷媒導入口と冷媒排出口を結ぶ直線から±45度傾ける構造としても良い。この流路を±４５度傾斜させた構成についてのシミュレーション結果を図８（ｂ）に示す。なお、シミュレーション条件は、上記実施例と同様である。このような構造にすることで、冷媒が流れやすくなり、冷却能力が向上することがわかった。

上記実施例２に対し、さらに冷媒が流れやすく、冷却能力が向上する構造について説明を行なう。

その構造を図９（ａ）に示す。この構造は、実施例１、実施例２に対して、仕切り部の少なくとも１角を曲線構造としている。このシミュレーション結果を、図９（ｂ）に示す。なお、シミュレーション条件は、上記実施例と同様である。これは仕切り部の４角すべての角を曲線構造としたものであり、計算結果から、実施例１、実施例２の曲線構造としない場合と比べ、さらに冷媒が流れやすくなり、冷却能力が大幅に向上することが明らかになった。

このような構造を作製する方法としては、ダイシングで直線状の流路を形成させた後に、仕切り部の角をエンドミル等で加工することが考えられる。曲線構造の角Ｒとしては特に制限はなく、適宜加工のしやすさや仕切り部の大きさによって変えればよい。

上記実施例２に対し、さらに冷媒が流れやすく、冷却能力が向上する構造について説明を行なう。

その構造を図９（ａ）に示す。この構造は、実施例１、実施例２に対して、仕切り部の少なくとも１角の角を落した構造としている。このシミュレーション結果を、図１０（ｂ）に示す。なお、シミュレーション条件は、上記実施例と同様である。このシミュレーション結果は仕切り部の４角すべての角を落したものであり、計算結果から、実施例１、実施例２の曲線構造としない場合と比べ、冷媒が流れやすくなり、冷却能力が大幅に向上することが明らかになった。
（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態について、上記本発明のＭＯＣＶＤ装置１０を用い、III −Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させてIII −Ｖ族化合物半導体を製造する方法を、図１に基づいて説明する。

すなわち、図１に示す構成の本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、III −Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる際には、まず、サセプタ４上に下地となる被成膜基板３が設置される。その後、回転軸７の回転により、サセプタ４の上面に設置された被成膜基板３の表面がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ５の加熱により、サセプタ４を介して被成膜基板３が所定の温度に加熱される。そして、シャワープレート２１に形成されているIII 族系ガス吐出孔Ｈ３からIII 族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入されると共に、シャワープレート２１に形成されているＶ族系ガス吐出孔Ｈ４からＶ族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。

これにより、被成膜基板３の表面上にIII −Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、III 族系ガスの供給量及びＶ族系ガスの供給量は、図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３・３６にて制御され、III 族系ガス及びＶ族系ガスのそれぞれが成長室１に供給されることになる。

III 族系ガス及びＶ族系ガスは、シャワープレート２１に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４からそれぞれ供給されていることから、被成膜基板３の表面上方におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ４との分布の偏りを低減することができる。

III 族系ガスとＶ族系ガスとが混合し濃度分布が均一となり、ヒータ５による被成膜基板３の加熱と相俟ってIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応が被成膜基板３の表面近傍において進行する。

冷媒中間室２２ｂの内部を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃのIII 族系ガス及びＶ族系ガス供給管２４ｃのＶ族系ガスは、冷媒中間室２２ｂを流れる冷媒によって、充分に冷却されるので、シャワープレート２１のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４でガスが反応して析出し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４が詰まるということがない。

すなわち、シャワープレート２１全面の温度及び反応ガスの温度を均一にすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、シャワープレート２１の表面、及びガス投入口での生成物付着によるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４の詰り起因による流れの乱れをなくすことができる。また、反応ガスの温度均一化を図ることにより生成膜厚や組成比を向上させることができる。

なお、上記においては、III 族系ガス、Ｖ族系ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス及びＶ族系ガスと共に、不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室１に供給してもよい。

また、上記においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４の形状は特に限定されず、例えば、多角形又は楕円形等の形状にすることができる。

また、上記においては、被成膜基板３を１枚設置した場合について説明したが、本発明においては、被成膜基板３は１枚だけでなく複数枚設置してもよい。

さらに、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置１０を構成する反応炉２、シャワープレート２１及びその他の部材の形状が、図１に示す形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記の説明では、冷媒中間室２２ｂの上には、III 族系ガス中間室２３ｂとＶ族系ガス中間室２４ｂとが異なる２層として積層されていたが、必ずしもこれに限らない。

また、本発明においては、原料ガスの種類として、III 族系ガス及びＶ族系ガスに限ることはない。

本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔から基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置に利用できる。

１ 成長室
２ 反応炉
３ 被成膜基板
４ サセプタ
５ ヒータ
６ 支持台
７ 回転軸
８ 被覆板
１０ ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１ ガス排出部
１２ パージライン
２０ シャワーヘッド
２１ シャワープレート
２２ 冷媒供給部
２２ｂ 冷媒中間室
２２ｄ 冷媒用開口付きリング
２３ III 族系ガス供給部
２３ａ III 族系ガス冷媒外環流路
２３ｂ III 族系ガス中間室
２３ｃ III 族系ガス供給管
２４ Ｖ族系ガス供給部
２４ａ Ｖ族系ガス冷媒外環流路
２４ｂ Ｖ族系ガス中間室
２４ｃ Ｖ族系ガス供給管
２４ｄ Ｖ族系ガス開口付きリング
２６ａ 境界板
２６ｂ 境界板
２６ｃ 天板
２７ 冷媒外環室
２７ａ 冷媒外環導入室
２７ｂ 冷媒外環排出室
２８ 仕切り部
３８ 冷媒供給配管
３８ａ 冷媒導入口
３９ 冷媒排出配管
３９ａ 冷媒排出口
Ｈ 開口
Ｈ３ III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ４ Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈｉｎ 冷媒流入開口（冷媒用開口）
Ｈｏｕｔ 冷媒流出開口（冷媒用開口）

Claims (7)

1. ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して、前記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、
   前記シャワープレート上に、前記ガスを充満させるガス中間室と、前記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、
   前記冷媒中間室には、前記ガス中間室から前記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通させるためのガス供給管貫通孔が設けられ、
   前記冷媒中間室が前記シャワープレート、前記ガス中間室との境界板、前記ガス供給貫通孔との仕切り部で構成されており、
   前記シャワープレートと前記ガス供給貫通孔との仕切り部が一体形成されていることを特徴とする気相成長装置。
2. 上記被成膜基板に向かって第１のガスが流れるガス流路が形成されており、
   上記境界板から突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって第２のガスを流すガス導管を有していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記冷媒中間室には、冷媒流路が前記複数の仕切り部の規制によって配列され、かつ、冷媒流路は直線状に交差していることを特徴とする請求項１あるいは２のいずれかに記載の気相成長装置。
4. 前記冷媒流路が直交する２方向の直線状であることを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
5. 前記冷媒中間室には冷媒導入口と冷媒排出口が対向して設けられており、
   前記冷媒流路が前記冷媒導入口と前記冷媒排出口をつなぐ直線からそれぞれ±４５度傾いた２方向の直線状であることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
6. 前記仕切り部の少なくとも１角を曲線構造とすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置
7. 前記仕切り部の少なくとも１角の角を落した構造とすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置