JP2019029552A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応生成物が炉内壁等に付着するのを抑制し、且つ簡素化された搬送機構で、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出できる気相成長装置を提供する。【解決手段】第２フローチャンネル１７の下流に第１排気ノズル１８が設けられており、その上流開口端１８ａの寸法は、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂよりも一回り大きく、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａが、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂを所定の長さで包囲する。一方、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの位置に対応する側壁１１の部分からは、側壁１１の外側に延びる第２排気ノズル１９が設けられており、第２排気ノズル１９の下方開口端１９ａの径は、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの径よりも大きい。第１排気ノズル１８は、第２フローチャンネル１７と同様、架台１３に固定支持され、第２フローチャンネル１７とともに後方へ搬送可能とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、特に、反応炉内において、加熱環境下でサセプタに保持された基板に対して、反応ガスを供給して作用させることにより、基板上に半導体薄膜を形成・成長させるための気相成長装置に関する。

従来より、基板上に半導体膜を成長させるための装置として気相成長装置が知られている。この気相成長装置は、反応炉内において、加熱環境下でサセプタ上に載置された基板に対して、反応ガス（例えば、トリメチルガリウムとアンモニア）を供給した作用させることにより、当該基板上に半導体薄膜を形成・成長させるための装置である。

図３は、従来における気相成長装置の概略構成を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）及び図３（ｄ）は正面図、図３（ｃ）は、図３（ｂ）中に示すＣ−Ｃ断面図である。
以下、図３（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、従来の気相成長装置の構成と、半導体膜を基板上に形成する際の処理工程及び保守作業工程について説明する。

図３（ａ）等に示す気相成長装置１０００は、反応炉１００、グローブボックス３０、及びパスボックス４０を備えて概略構成されている。反応炉１００は、側壁１１と上流側フランジ１２ａ、１２ｂとで略円筒形の密閉容器を形成している。なお、以下の説明においては、反応炉１００内における、その長手方向の位置を説明するにあたり、便宜上、反応ガスの流れ方向の上流を、単に「反応炉１００の上流（又は前方）」、反応ガスの流れ方向の下流を、単に「反応炉１００の下流（又は後方）」と称することがある。

反応炉１００内においては、架台１３上に、図示略の基板が載置されたサセプタ１４が支持されている。サセプタ１４は、薄膜の膜厚の平均化を図るため、その中心軸に沿って回転可能に構成されている。架台１３の後方端は、搬送用冶具１５の一端に接続されており、その搬送用冶具１５の他端は、下流側フランジ１２ｂに固定されている。

また、反応炉１００内には、上流側フランジ１２ａに設けられた反応ガス導入口２５から導入された反応ガスをサセプタ１４方向に搬送するための第１フローチャンネル１６と、さらに、その第１フローチャンネル１６から延設され、且つサセプタ１４上に位置する第２フローチャンネル１７とが備えられている。なお、図３（ａ）〜（ｄ）中においては図示を省略しているが、第２フローチャンネル１７は、架台１３に支持固定されている。

一方、下流側フランジ１２ｂは、グローブボックス３０内に敷設されたレール３１上を摺動可能な摺動部材３２に固定されている。このような構成により、下流側フランジ１２ｂ、搬送用冶具１５、架台１３、サセプタ１４、及び第２フローチャンネル１７は、摺動部材３２のレール３１上での摺動に伴って、一体で、反応炉１００の長手方向に移動可能に構成されている。ここで、摺動部材３２がレール３１上の最も後方にある状態、すなわち図３（ｄ）に示した状態において、基板等の交換作業が行われる。一方、摺動部材３２が前方に移動して、下流側フランジ１２ｂが側壁１１に当接するような前方の限界位置、具体的には、下流側フランジ１２ｂに付設されたＯリング等の部材によって反応炉１００が密閉状態となるような位置（図３（ｂ））において、基板への薄膜の成長プロセスが施される。

また、側壁１１における後方端部に近い部分には、基板上を通過した反応後の余剰ガスが排出される排気口２６が設けられている。また、反応炉１００の外部においてサセプタ１４に対応する位置には、側壁１１の外周に沿ってＲＦコイル２０が設けられ、反応炉１００の外部からサセプタ１４を加熱できるように構成されている。

上記構成を有する気相成長装置１０００を用いた成膜プロセスについて説明すると、まず、反応ガス導入口２５から導入された反応ガスは、基板上に効率よく運搬され、かつ側壁１１の内壁方向に漏洩しないように、第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７によって流れが制御されつつ、サセプタ１４上の基板側へ向かう。サセプタ１４上に到達した反応ガスは、ＲＦコイル２０の作用によって高温に加熱されたサセプタ１４上で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ１４の回転に伴って回転する基板上に堆積して膜形成が行われる。そして、基板面を通過したガスは、排気口２６を介して外部に排出される。

なお、上記構成の装置において、フローチャンネルが、第１フローチャンネル１６と第２フローチャンネル１７の２つに分かれている理由は、以下の通りである。
気相により原料を供給し、基板上を加熱し、膜を基板上に堆積させるとき、基板以外の場所にも析出が生じる。この析出物は、周辺部材表面で析出した場合と、気流中で析出したものが堆積した場合等とでは、その性状に差が生じるが、前者は強固に部材に張り付き、熱膨張率の差によって冷却時に部材表面を剥ぎ取る可能性があり、一方、後者では圧力変動等によって再び舞い上がり、膜中に不純物として混入して膜の性質を劣化させてしまう。
このとき、基板下流側ではさほど影響がないため、汚れが付いていても、閉塞しない限り、そのまま使用する場合が多いが、原料が分解し始める基板上流端から基板下流端の間の部材にあっては、反応生成物の付着を放置しておくことはできず、頻繁に交換又は洗浄する必要がある。このため、当該部分に対応するフローチャンネルを第２フローチャンネル１７として、第１フローチャンネル１６とは物理的に分離独立させている。

一方、上述のように、第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７の内部は反応ガスが流れるが、第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７の外側の反応炉１００内にはパージガスが導入されており、その圧力により、第１フローチャンネル１６と第２フローチャンネル１７の継ぎ目から反応ガスが漏洩するのを防止するように構成されており、これにより、漏洩ガスによる側壁１１の内壁への付着を防止できるように構成されている。

次に、上記構成の装置における基板等の交換処理について説明する。
上述のように、基板等の交換時には、摺動部材３２のレール３１上の摺動に伴って、下流側フランジ１２ｂ、搬送用冶具１５、架台１３、サセプタ１４、及び第２フローチャンネル１７が一体で、図３（ｄ）に示す位置まで後方に移動する。このような動作によってグローブボックス３０内に搬送された基板や治具類は、別途、ロボットや手動操作等により、パスボックス４０に搬送される。このパスボックス４０は、扉等によって作業空間と区切られており、作業者が、出来上がった基板や汚れた治具を取り出したり、新しい基板や治具をセットしたりするスペースとされる。このパスボックス４０は、大気と遮断するために気密構造となっており、上記の搬送前後で真空置換が行われる。

特開２００６−０６６６０５号公報

上述のように、従来の気相成長装置においては、基板上流端から下流端に対応するフローチャンネルを第２フローチャンネル１７として、第１フローチャンネル１６とは物理的に独立した稼働部材とすることにより、当該部分で主に発生し付着した反応生成物を洗浄可能となるような構成としている。
しかしながら、基板上流端から下流端に対応する部材のみを洗浄するたけでは決して十分ではなく、当該下流端より後方においても、反応炉１００内において反応生成物が付着することは好ましくない。

上記の観点から、特許文献１においては、上流フローライナー（２）、中間フローライナー（３）、及び下流フローライナー（４）が備えられた構成が開示されている。ここで、特許文献１における上流フローライナー（２）及び中間フローライナー（３）は、上述した図３中における第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７に対応するものと捉えることができる。従って、特許文献１においては、下流フローライナー（４）が、基板下流端よりも後方で、反応生成物の付着を防止する部材と捉えることができる。

しかしながら、特許文献１においては、下流フローライナー（４）を通過した反応ガスの反応炉外への排出機構、又は排出構造については何ら開示がなく、また、下流フローライナー（４）を搬出して交換又は洗浄できるようにするような機構又は構造についても何ら開示はない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、原料ガスの流れを制御して高品質で均一性の高い膜を成膜しつつ、反応生成物が炉内壁等に付着するのを抑制し、且つ、簡便な構成の搬送機構でありながら、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出でき、保守作業によるダウンタイムが生じるのを大幅に抑制することが可能な気相成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。
即ち、本発明は、基板上に半導体膜を成長させるための気相成長装置であって、パージガスで満たされた反応炉内において、前記基板を保持するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段と、前記反応炉内に導入された反応ガスを前記基板の上流端まで導く第１フローチャンネルと、上流開口端が、前記第１フローチャンネルの下流開口端と対向するとともに、前記基板の周囲を覆うことにより、前記反応ガスを前記基板上に導く第２フローチャンネルと、前記第２フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端の開口寸法が、前記第２フローチャンネルの下流開口端の開口寸法よりも大きく、且つ、前記第２フローチャンネルの下流開口端と当該上流開口端が面一の位置関係、又は前記第２フローチャンネルの下流開口端が当該上流開口端の内部に位置しており、さらに、後端側が前記反応炉の側壁方向に向かって屈曲しているとともに、下流開口端が、前記側壁に設けられた排気口に向かって開口することにより、前記基板上を通過した前記原料ガスを前記排気口に導く第１排気ノズルと、前記反応炉の前記排気口から外部に向かって開口するように設けられ、上流開口端の開口寸法が、前記第１排気ノズルの下流開口端の開口寸法よりも大きい第２排気ノズルと、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを支持する架台と、前記架台を、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記反応炉の後方に移動させ、前記反応炉の外部に搬出させる搬送手段と、を備えることを特徴とする気相成長装置を提供する。

本発明の気相成長装置によれば、上記のように、第２フローチャンネルの下流に、基板上を通過した原料ガスを排気口に導く第１排気ノズルと、反応炉の排気口から外部向かって第２排気ノズルとが設けられているので、第２フローチャンネルから排出された反応ガスが、当該第１排気ノズル及び第２排気ノズルを介して装置外部に放出されるので、反応炉の内壁に反応生成物が付着することが避けられる。
また、第２フローチャンネルの下流開口端と対向する、第１排気ノズルの上流開口端の開口寸法が、当該下流開口端の開口寸法よりも大きく、かつ当該下流開口端と当該上流開口端が面一の位置関係、又は当該下流開口端が当該上流開口端の内部に位置し、さらに反応炉内部にパージガスが満たされていることで、第２フローチャンネルから排出された比較的高速な反応ガスは、パージガスを引き込みつつ第１排気ノズルに流入するので、第２フローチャンネルと第１排気ノズルの隙間において反応ガスが漏れるのを防止できる。
同様に、第２排気ノズルの上流開口端の開口寸法が、第１排気ノズルの下流開口端の開口寸法よりも大きく構成されており、さらに反応炉内部にパージガスが満たされていることで、第１排気ノズルから排出された比較的高速な反応ガスは、パージガスを引き込みつつ第２排気ノズルに流入するので、第１排気ノズルと第２排気ノズルの隙間から反応ガスが漏れるのを防止できる。

本発明の気相成長装置は、上記構成において、前記第１排気ノズルが、上方に向かって屈曲していることが好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、第１排気ノズルが、特に、後端側で、上方に向かって屈曲するように構成することで、反応ガスが、その上方指向によって第１排気ノズル内をスムーズに流れるようになる。

本発明の気相成長装置は、上記構成において、前記反応炉の後方端に、当該反応炉を密閉するためのフランジが設けられ、前記架台は、前記搬送手段によって搬送される前記フランジに固定されており、前記搬送手段によって前記フランジが移動することで前記反応炉が開放され、前記架台が、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記反応炉の外部に搬出されることが好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、さらに、第１排気ノズルを、第２フローチャンネルと同様に架台に支持固定させ、第２フローチャンネルと同様、搬出手段によって反応炉外に搬出させるようにしているので、成膜中に生じる反応生成物が付着した部材を、ほぼすべての部材にわたって、工程の実施毎に容易に交換ができるため、炉内清掃等の保守作業によって生じるダウンタイムを大幅に削減できる。

本発明の気相成長装置は、上記構成において、さらに、前記反応炉に隣接して、不活性ガスで満たされた機密構造のグローブボックスボックスを備え、前記搬送手段により、前記架台が、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記グローブボックス内に搬送されることがより好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、特に、第２フローチャンネル及び第１排気ノズルが、フランジとともに反応炉後方に搬送され、それらの搬送に伴って反応炉が開放されるので、簡便な構成で、基板及び付着物が付いた交換が必要な部材を搬送することができるので、装置のコストダウンにつながる。

本発明の気相成長装置は、上記構成において、さらに、前記グローブボックスに隣接して、前記サセプタに保持された基板、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを、前記グローブボックスから大気中へ搬出するか、又はそれらを大気中から前記グローブボックスに搬入するための、真空置換可能なパスボックスを備えることが好ましい。

本発明の気相成長装置によれば、フランジが開放される空間が、密閉されて不活性ガスで満たされた気密構造、具他的にはグローブボックスが備えられ、さらに、基板や部品を大気中に搬出又は搬入するための、真空置換が可能なパスボックスがグローブボックスに隣接して備えられることで、基板や部品の搬送時、炉内への大気成分の混入を簡便な構成で防止することができるので、装置のコストダウンにつながる。

本発明に係る気相成長装置によれば、上記構成により、原料ガスの流れを制御して高品質で均一性の高い結晶膜を成膜しつつ、反応生成物が炉内壁等に付着するのを抑制できるので、付着物が結晶膜中に混入するのを防止でき、成長させる薄膜の結晶品質がより高められる。さらに、簡便な構成の搬送機構でありながら、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出できるので、保守作業によるダウンタイムを大幅に抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）、（ｄ）は正面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中に示したＣ−Ｃ断面図である。 本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、少なくとも第１排気ノズル及び第２排気ノズルを含む要部拡大図である。 従来の気相成長装置の概略構成を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）、（ｄ）は正面図、図３（ｃ）は、図３（ｂ）中に示したＣ−Ｃ断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置について、図１及び図２を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、その特徴をわかり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）、（ｄ）は正面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中に示したＣ−Ｃ断面図である。また、図２は、少なくとも第１排気ノズル及び第２排気ノズルを含む要部拡大図である。
以下の説明においては、図１及び図２を参照しながら、当該気相成長装置の構成と、基板上に半導体膜を形成する処理工程及び保守作業工程について詳述する。

＜気相成長装置の構成＞
本発明に係る気相成長装置の一例について説明する。
図１に例示する気相成長装置１は、反応炉１０、グローブボックス３０、及びパスボックス４０を備えて概略構成されている。

反応炉１０は、側壁１１と、上流側フランジ１２ａ、１２ｂとにより、略円筒形の密閉容器を形成している。なお、以下の説明においては、反応炉１０内における、その長手方向の位置を説明するにあたり、便宜上、反応ガスの流れ方向の上流を、単に「反応炉１０の上流（又は前方）」、反応ガスの流れ方向の下流を、単に「反応炉１０の下流（又は後方）」と称する場合がある。

反応炉１０内においては、架台１３上に、図示略の基板が載置されたサセプタ１４が支持されている。このサセプタ１４は、通常、熱の良導体（例えば、カーボン等）で形成され、さらに好適には、原料ガスによる腐食を防止する観点から、ＳｉＣ等のコーティングが施される。また、サセプタ１４は、気相成長する薄膜の膜厚の平均化を図るため、その中心軸に沿って回転可能に構成されている。

ここで、図２に示すように、図１（ａ）〜（ｄ）中には示されていない回転軸２１の一端には、かさ歯車２２が取り付けられており、その他端には、図示略のモータが取り付けられ、このモータの駆動によって回転軸２１が回転するように構成されている。従って、その回転軸２１の回転に伴い、かさ歯車２２も回転することになる。一方、回転軸２１、かさ歯車２２、及び図示略のモータは一体とされ、回転軸２１の軸方向に一定距離で摺動して移動することが可能に構成されており、図２中における紙面方向で最左方の位置において、かさ歯車２２が、サセプタ１４の下面に設けられた複数の歯と嵌合するように構成されている。従って、当該位置においてモータが駆動されると、回転軸２１及びかさ歯車２２を介してサセプタ１４が回転することになる。

架台１３の後方端は、搬送用冶具１５の一端に接続されており、その搬送用冶具１５の他端は、下流側フランジ１２ｂに固定されている。

反応炉１０内には、上流側フランジ１２ａに設けられた反応ガス導入口２５から導入された反応ガスを、サセプタ１４方向に搬送するための第１フローチャンネル１６と、その下流に分離延設されたものであり、且つサセプタ１４上に位置する第２フローチャンネル１７とが備えられている。これら第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７としては、石英製のものが好適に用いられる。

また、第１フローチャンネル１６は、図１（ａ）に示すように、後方に向かうにつれて、流路断面が大きくなる形状とされている。また、第２フローチャンネル１７は、図２に示すように、架台１３に支持固定されている。また、図示例においては、第１フローチャンネル１６の上流開口端１６ａが反応ガス導入口２５と接続され、第１フローチャンネル１６の下流開口端１６ｂと第２フローチャンネル１７の上流開口端１７ａとが対向するように配置されている。

また、第２フローチャンネル１７の下流側には、図２に示すように、第２フローチャンネル１７と同様に架台１３に支持固定された第１排気ノズル１８が設けられている。この第１排気ノズル１８は、その前方部分おいて、第１フローチャンネル１６とは逆に、後方に向かうにつれて、流路断面が小さくなる形状とされており、また、その後方部分において、上方（略９０度）に向きを変える形状とされることで、略Ｌ字型に構成されている。

以下に、第２フローチャンネル１７と第１排気ノズル１８との物理的な関係を詳細に説明する。第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａは、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂと略同型をなしているが、その開口寸法は、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂよりも一回り大きく構成されている。そして、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａと、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂとは、少なくとも面一の位置関係にあるか、好適には、図１（ａ）、（ｂ）中に示すように、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａが、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂを所定の長さで包囲する構成とされている。

一方、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの位置に対応する側壁１１の部分からは、側壁１１の外側に延びて開口した、例えばＳＵＳ等からなる第２排気ノズル１９が設けられており、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂから放出されたガスが、さらに第２排気ノズル１９内を進んで、第２排気ノズル１９の上方（下流）開口端１９ｂから排出されるように構成されている。ここで、図１及び図２中に示すように、第２排気ノズル１９の下方（上流）開口端１９ａの開口寸法は、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの開口寸法よりも大きく構成されている。

また、図１中に示すように、下流側フランジ１２ｂは、グローブボックス３０内に敷設されたレール３１上を摺動可能な摺動部材３２に固定されている。上記の構成から、下流側フランジ１２ｂ、搬送用冶具１５、架台１３、サセプタ１４、第２フローチャンネル１７、及び第１排気ノズル１８は、摺動部材３２のレール３１上での摺動に伴って、一体で、反応炉１０の長手方向に移動可能に構成されている。ここで、摺動部材３２がレール３１上の最も後方にある状態、即ち、図１（ｄ）中に示すような状態において基板等の交換作業が行われる。一方、摺動部材３２が前方に移動して、下流側フランジ１２ｂが側壁１１に当接するような前方の限界位置、より具体的には、下流側フランジ１２ｂに付設されたＯリング等の部材によって反応炉１０が密閉状態となる位置（図１（ｂ））において、基板への薄膜の成長プロセスが施される。

また、反応炉１０の外部であってサセプタ１４に対応する部分には、側壁１１の外周に沿ってＲＦコイル２０が設けられ、反応炉１０の外部からサセプタ１４を加熱することができるように構成されている。

なお、昇降温レートを重視する観点からは、加熱手段としてＲＦコイル２０を用いることが好ましいが、代わりに、一般的なヒータやランプ等を用いることも可能である。このようなヒータを加熱手段に用いる場合には、材質的に安価で加工が容易なカーボンヒータが多用されるが、このようなカーボンヒータは腐食しやすいため、例えば、ＳｉＣコーティングされたものや、ＳｉＣバルク材、ＰＢＮコーティングされたカーボン、高融点金属等を用いることが、さらに好適である。

また、第１フローチャンネル１６、第２フローチャンネル１７、及び第１排気ノズル１８の外側の反応炉１０内には、パージガスが封入される。

＜気相成長装置を用いた半導体の製膜プロセス＞
上記構成の気相成長装置１を用いた、半導体の製膜プロセスの一例について、以下に説明する。
まず、反応ガス導入口２５から導入された反応ガスは、基板上に効率よく搬送され、且つ側壁１１の内壁方向に漏洩しないように、第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７によって流れが制御されつつ、サセプタ１４上の基板に向かう。サセプタ１４上に到達した反応ガスは、ＲＦコイル２０の作用によって高温に加熱されたサセプタ１４上で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ１４の回転に伴って回転する基板上に堆積して膜形成が行われる。

基板面を通過した反応ガスは、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂから、第１排気ノズル１８に導入され、さらに、その下流開口端１８ｂから第２排気ノズル１９に導入されるように配置されており、最終的に、第２排気ノズル１９の上方（下流）開口端から排出される。上述のように、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａの開口寸法は、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂの開口寸法よりも大きく、且つ、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａが第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂを所定の長さで包囲するような位置関係で構成されている。また、反応炉１０内は、所定圧力を呈するパージガスで満たされている。これにより、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂから流出した反応ガスは、反応炉１０内に流出することなく、パージガスとともに漏れなく第１排気ノズル１８内に導入される。同様に、第２排気ノズル１９の下方（上流）開口端１９ａの開口寸法も、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの開口寸法よりも大きく構成されており、且つ、パージガスの作用により、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂから流出した反応ガスは、反応炉１０内に流出することなく、パージガスとともに漏れなく第２排気ノズル１９内に導入される。従って、漏洩ガスによる側壁１１の内壁への反応生成物の付着を防止できるので、これらの付着物が結晶膜内に混入することも防止できる。

＜基板や部材等の交換処理＞
次に、図１及び図２に例示した気相成長装置１において、基板や構成部材等を交換する場合の処理手順について説明する。

上述したように、基板等の交換時には、摺動部材３２のレール３１上の摺動に伴って、下流側フランジ１２ｂ、搬送用冶具１５、架台１３、サセプタ１４、第２フローチャンネル１７、及び第１排気ノズル１８が一体で、不活性ガスで満たされた機密構造のグローブボックス３０内における後方の位置、具体的には、図１（ｄ）中に示す位置まで移動する。このようにしてグローブボックス３０内に搬送された基板や治具類は、別途、ロボット等の装置や手動の方法により、パスボックス４０に搬送される。パスボックス４０は、扉等によって作業空間と区切られており、作業者が、出来上がった基板や汚れた治具を取り出したり、新しい基板や治具をセットしたりするのに用いられる。パスボックス４０は、大気と遮断するために気密構造とされており、基板や治具等の搬送の前後において真空置換が行われる。

なお、上記のように、第１排気ノズル１８を洗浄又は交換可能なように構成した理由としては、第２フローチャンネル１７の場合における理由と同様である。

また、本実施形態においては、サセプタ１４の上に基板を載置し、半導体膜の成長面は基板の上側となっているが、ごみ等の付着防止の観点から、基板をサセプタの下側に位置付けし、膜の成長面が基板の下側となるように、気相成長装置を構成しても構わない。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の気相成長装置１によれば、第２フローチャンネル１７の下流側に、基板上を通過した原料ガスを排気口に導く第１排気ノズル１８が設けられ、さらに、反応炉１０の排気口から外部に向かうように第２排気ノズル１９が設けられた構成を採用している。これにより、第２フローチャンネル１７から排出された反応ガスが、第１排気ノズル１８及び第２排気ノズル１９を介して装置外部に放出されるので、第１排気ノズル１８が設けられていない場合と比較して、反応炉１０の内壁に反応生成物が付着するのを効果的に抑制できる。

特に、第２フローチャンネル１７の下流開口端１７ｂと対向する、第１排気ノズル１８の上流開口端１８ａの開口寸法が、当該下流開口端１７ｂの開口寸法よりも大きく、かつ当該下流開口端１７ｂが当該上流開口端１８ａの内部に位置し、さらに、反応炉１０内部にパージガスが満たされていることで、第２フローチャンネル１７から排出された比較的高速な反応ガスが、パージガスを引き込みつつ第１排気ノズル１８に流入するので、第２フローチャンネル１７と第１排気ノズル１８の隙間において反応ガスが漏れるのが抑制される。従って、反応炉１０の内壁に反応生成物が付着するのを効果的に防止できる。

同様に、第２排気ノズル１９の下方（上流）開口端１９ａの開口寸法が、第１排気ノズル１８の下流開口端１８ｂの開口寸法よりも大きく構成され、且つ反応炉１０内部にパージガスが満たされていることで、第１排気ノズル１８から排出された比較的高速な反応ガスが、パージガスを引き込みつつ第２排気ノズル１９に流入するので、第１排気ノズル１８と第２排気ノズル１９の隙間から反応ガスが漏れるのが抑制される。従って、上記同様、反応炉１０の内壁に反応生成物が付着するのをより効果的に防止できる。

また、第１排気ノズル１８を、後方で、上方に向かって概略９０度屈曲する形状に構成することで、反応ガスが、その上方指向によって第１排気ノズル１８内をスムーズに流れるという効果が得られる。

また、第１排気ノズル１８は、第２フローチャンネル１７と同様、成膜中に付着した反応生成物を定期的に清掃除去する必要があるが、本実施形態の気相成長装置１では、第１排気ノズル１８を、第２フローチャンネル１７と同様、架台１３に支持固定し、第２フローチャンネル１７と同様に、搬送用冶具１５、下流側フランジ１２ｂ、摺動部材３２、及びレール３１によって後退させ、グローブボックス３０内に搬出するように構成している。これにより、成膜中に生じる反応生成物が付着した第１排気ノズル１８を、容易に清掃又は交換ができるので、炉内清掃等の保守作業のために生じるダウンタイムが削減できる。

特に、第２フローチャンネル１７及び第１排気ノズル１８を、下流側フランジ１２ｂとともに、反応炉１０の後方の位置に搬送する構成であり、それらの搬送に伴って反応炉１０が開放されるので、基板、及び、反応生成物が付着した、交換が必要な部材を、簡便な構造で搬送することができ、装置のコストダウンにもつながる。

従って、本実施形態の気相成長装置１によれば、原料ガスの流れを制御して高品質で均一性の高い結晶膜を成膜しつつ、反応生成物が反応炉１０の内壁等に付着するのを抑制できるので、付着物が結晶膜中に混入するのを防止でき、成長させる薄膜の結晶品質がより高められる。さらに、簡便な構成の搬送機構でありながら、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出できるので、保守作業によるダウンタイムを大幅に抑制することが可能になる。

以下、実施例により、本発明に係る気相成長装置についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

＜半導体膜の気相成長条件＞
本実施例においては、図１及び図２に示すような、本発明に係る構成を備えた気相成長装置を使用して、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物半導体膜を製膜する実験を行った。
この際、気相成長装置に、２−ｉｎｃｈサファイア基板、新品の第１フローチャンネル１６及び第２フローチャンネル１７、並びに、第１排気ノズル１８及び第２排気ノズル１９をセットし、以下の条件にてＧａＮ系化合物半導体膜を製膜した。

（低温バッファ層の製膜条件）
ＴＭＧ：１１０μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ_３：９ｓｌｍ
キャリアガストータル：２５ｓｌｍ
設定温度：５００℃
設定圧力：常圧
成膜時間：１．５分

（高温ＧａＮ層）
ＴＭＧ：３００μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ_３：１２ｓｌｍ
キャリアガストータル：６０ｓｌｍ
設定温度：１１２５℃
設定圧力：常圧
成膜時間：２時間

＜半導体膜成長後の評価＞
上記条件による半導体膜の成膜後、反応炉１０内の付着物の状況を目視で確認したところ、第２フローチャンネル１７、第１排気ノズル１８内には黒い付着物が見られたが、炉内の壁面には、付着物はほとんど付着していなかった。

その後、下流側フランジ１２ｂの２重Ｏリングシールを大気に戻し、下流側フランジ１２ｂを下流側に移動させ、各部の状態を確認したところ、基板表面においては鏡面が得られ、良好な膜が成膜できた。また、第２フローチャンネル１７、第１排気ノズル１８ともさほど汚れていなかったため、基板を新品に交換して炉内に設置した。そして、水素ベーキングを挟んで、上記同様の実験を繰り返した。

さらに、ＧａＮ系ＬＥＤ構造を有する半導体膜の成膜等、種々の成膜実験を繰り返し、汚れの度合いを確認したところ、第２フローチャンネル１７については７〜８回程度の製膜処理、第１排気ノズル１８については３０回程度の製膜処理で、付着物の剥離が始まったため、それぞれの部材を交換した。また、第２排気ノズル１９に付着物が認められたため、外周部にテープヒータを装着し、２００℃に加熱したところ、その後、第２排気ノズル１９の付着量は減少した。
このような運用方法で、上記の気相成長装置を、さらに１か月程度運用し、炉内を確認したところ、第２排気ノズル１９に、多少の反応生成物が付着していたが、他の部分には、反応性生成物は、ほとんど付着していなかった。

以上説明したような実施例の結果より、本発明の気相成長装置を用いて半導体膜等の気相成長プロセスを実施することで、反応生成物が反応炉の内壁等に付着するのを抑制できるとともに、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出でき、保守作業によるダウンタイムを大幅に抑制できることが明らかとなった。

本発明の気相成長装置は、反応生成物が炉内壁等に付着するのを抑制し、且つ、簡便な構成で、汚れた部材を工程の実施毎に容易に炉外に搬出でき、保守作業によるダウンタイムを大幅に抑制することが可能になるものなので、例えば、基板上に半導体膜を成長、成膜させるための装置として非常に好適である。

１、１０００・・・気相成長装置
１０、１００・・・反応炉
１１・・・側壁
１２ａ，１２ｂ・・・上流側フランジ、下流側フランジ
１３・・・架台
１４・・・サセプタ
１５・・・搬送用治具
１６・・・第１フローチャンネル
１６ａ・・・上流開口端
１６ｂ・・・下流開口端
１７・・・第２フローチャンネル
１７ａ・・・上流開口端
１７ｂ・・・下流開口端
１８・・・第１排気ノズル
１８ａ・・・上流開口端
１８ｂ・・・下流開口端
１９・・・第２排気ノズル
１９ａ・・・下方（上流）開口端
１９ｂ・・・上方（下流）開口端
２０・・・ＲＦコイル
２１・・・回転軸
２２・・・かさ歯車
２５・・・反応ガス導入口
２６・・・排気口
３０・・・グローブボックス
３１・・・レール
３２・・・摺動部材
４０・・・パスボックス

Claims (5)

1. 基板上に半導体膜を成長させるための気相成長装置であって、
   パージガスで満たされた反応炉内において、前記基板を保持するサセプタと、
   前記サセプタを加熱する加熱手段と、
   前記反応炉内に導入された反応ガスを前記基板の上流端まで導く第１フローチャンネルと、
   上流開口端が、前記第１フローチャンネルの下流開口端と対向するとともに、前記基板の周囲を覆うことにより、前記反応ガスを前記基板上に導く第２フローチャンネルと、
   前記第２フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端の開口寸法が、前記第２フローチャンネルの下流開口端の開口寸法よりも大きく、且つ、前記第２フローチャンネルの下流開口端と当該上流開口端が面一の位置関係、又は前記第２フローチャンネルの下流開口端が当該上流開口端の内部に位置しており、さらに、後端側が前記反応炉の側壁方向に向かって屈曲しているとともに、下流開口端が、前記側壁に設けられた排気口に向かって開口することにより、前記基板上を通過した前記原料ガスを前記排気口に導く第１排気ノズルと、
   前記反応炉の前記排気口から外部に向かって開口するように設けられ、上流開口端の開口寸法が、前記第１排気ノズルの下流開口端の開口寸法よりも大きい第２排気ノズルと、
   前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを支持する架台と、
   前記架台を、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記反応炉の後方に移動させ、前記反応炉の外部に搬出させる搬送手段と、
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記第１排気ノズルは、上方に向かって屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記反応炉の後方端に、当該反応炉を密閉するためのフランジが設けられ、前記架台は、前記搬送手段によって搬送される前記フランジに固定されており、前記搬送手段によって前記フランジが移動することで前記反応炉が開放され、前記架台が、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記反応炉の外部に搬出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。
4. さらに、前記反応炉に隣接して、不活性ガスで満たされた機密構造のグローブボックスボックスを備え、前記搬送手段により、前記架台が、前記サセプタ、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを伴って前記グローブボックス内に搬送されることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
5. さらに、前記グローブボックスに隣接して、前記サセプタに保持された基板、前記第２フローチャンネル、及び前記第１排気ノズルを、前記グローブボックスから大気中へ搬出するか、又はそれらを大気中から前記グローブボックスに搬入するための、真空置換可能なパスボックスを備えることを特徴とする請求項４に記載の気相成長装置。

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