JP2022172794A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイドライド気相成長法を用い、短時間で原料ガスの切り替えが可能な気相成長装置を提供する。【解決手段】基材Ｐを収容する反応炉２と、反応炉２から排ガスを排出する排気機構３と、金属塩化物の供給源１４Ａ，１４Ｂと、反応炉２へ金属塩化物を含むガスを供給する第１経路Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂと、排気機構３へガスを排出する第２経路Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂと、第１選択機構１５Ａ，１５Ｂとを有する原料ガス供給部４Ａ，４Ｂと、を備える、気相成長装置１を選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置に関する。

ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＧａＡｓ等の化合物半導体製造におけるエピタキシャル結晶製造用の気相成長装置として、分子線エピタキシー装置（Molecular Beam Epitaxy、略称：ＭＢＥ）、有機金属気相成長装置（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、略称：ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長装置（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称：ＨＶＰＥ）等が知られている。

ＭＢＥは、真空下で分子線セル内の原料を加熱して蒸発させ、基板上に供給するため、高純度かつヘテロ界面を比較的容易に製作できるが、成長速度が比較的遅く、設備費も高いため、量産には向かない。

ＭＯＣＶＤは、現時点において化合物半導体製造の主流であり、成長速度はサブミクロン～１０μｍ／ｈｒ程度まで制御でき、Ｐ型およびＮ型ドーピングも１０^１６～１０^２０ｃｍ^－３程度まで制御でき、界面の急峻性も原子層レベルで制御可能である。しかし、原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の有機金属を用いるため、原料が高価であり、設備費も比較的高価となる。近年、ＧａＮパワーデバイスでも縦方向に電気を流す縦型ダイオードやトランジスタなどの開発が注目されているが、このデバイスには数十ミクロンの膜厚が必要なため、成長速度が数μｍ／ｈｒのＭＯＣＶＤではスループットが悪く、生産コストが上がらない。

ＨＶＰＥは、成長速度が１００μ／ｈｒ以上と速く、原料由来のカーボン不純物が少ないという長所がある一方、炉内で原料を発生させるために炉内容積が大きくなり、ガスの切替えに時間がかかるため、急峻な界面を得られない。
これは、ＨＶＰＥ法の特徴として、金属塩化物を反応炉内で製造していることに起因する。すなわち、ＨＶＰＥ法では、反応炉の上流部に金属原料のボートを設置し、そのボートに塩化水素または塩素を導入し、塩化物へと反応させて、塩化物原料を製造する構造に由来する。これらの構造物を内包させるため、反応炉は大きな容積を有する。反応炉の上流でガスを切り替えても、反応炉内のガスが切り替わるのに相当の時間を要する。
しかしながら、近年は原料である金属単体、塩素、及び塩化水素が安価であることから、ＨＶＰＥによるデバイス構造成長が検討されている。

デバイス構造を成長させるためには、異なる材料を複数層堆積させる必要があり、それぞれの層の間の界面の急峻性がデバイスの性能を左右する。非特許文献１には、ＨＶＰＥにより太陽電池デバイス構造を製造するため、反応炉内に複数の金属材料のボートとノズルを設置し、基板を設置したサセプタの位置を各ノズルに対向する位置に移動させることが可能な反応炉が開示されている。この方式では、サセプタの移動速度が１秒程度でガスの切り替えが期待される。しかし、構造が複雑になり、大型化が難しいという課題や、炉内に対して基板位置が中心ではないため、炉壁の影響を反映した面内分布を生じる課題があった。

そこで、特許文献１では、ＨＶＰＥの炉内を簡略化し、金属原料と塩化物とが反応する部分を反応炉から切り離し、原料供給部として独立制御を行う装置が開示されている。これにより、反応炉の容積は十分に小さくなる。

特許第５６５６１８４号公報

応用物理、８９巻、６号（２０２０）、Ｐ３３３～３３７

ところで、特許文献１に開示されたＨＶＰＥ装置では、化合物半導体を成膜するために複数原料を反応炉に接続する場合、原料供給経路のそれぞれに開閉バルブを設置し、開閉バルブの切り替えによって供給する原料を選択する。
しかしながら、化合物半導体の成膜時、原料を切り替える際に開閉バルブの切り替えでは、ガス流れの瞬時停止、瞬時開放による圧力変動によって配管内で逆流が生じ、各原料ガスが配管内で混ざってしまう。この結果、成膜された化合物半導体では、急峻な界面が得られず、所望の性能の化合物半導体が得られないという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ハイドライド気相成長法を用い、短時間で原料ガスの切り替えが可能な気相成長装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ 少なくとも１種の金属塩化物を原料として用い、ハイドライド気相成長法によって１層以上の化合物半導体を成膜する気相成長装置であって、
基材を収容する反応炉と、
前記反応炉から排ガスを排出する排気機構と、
金属塩化物の供給源と、前記供給源から前記反応炉へ前記金属塩化物を含むガスを供給する供給経路の一部を構成する第１経路と、前記供給源から前記排気機構へ前記ガスを排出する排気経路の一部を構成する第２経路と、前記第１経路及び前記第２経路の開放状態及び閉止状態を選択する第１選択機構とを有する、１以上の原料ガス供給部と、を備える、気相成長装置。
［２］ キャリアガス供給源と前記反応炉との間に位置する第１主経路と、
差圧補正用ガス供給源と前記排気機構との間に位置する第２主経路と、
前記第１主経路と前記第２主経路との差圧を調整する差圧調整機構と、を備え、
前記第１主経路には、１以上の前記第１経路が接続され、
前記第２主経路には、１以上の前記第２経路が接続される、［１］に記載の気相成長装置。
［３］ 前記差圧調整機構が、
前記第１主経路に位置する第１流量調整器及び第１圧力測定器と、
前記第２主経路に位置する第２流量調整器及び第２圧力測定器と、を含む、［２］に記載の気相成長装置。
［４］ 前記差圧調整機構が、
前記第１主経路と前記第２主経路とにわたって設けられた短絡経路と、
前記短絡経路に位置する差圧計と、を含む、［２］又は［３］に記載の気相成長装置。
［５］ 流量補償用ガス供給源と前記第１主経路との間に位置する第３経路と、
前記流量補償用ガス供給源と前記第２主経路との間に位置する第４経路と、
前記第３経路及び前記第４経路の開放状態及び閉止状態を選択する第２選択機構と、を有する流量補償ガス供給部をさらに備える、［２］乃至［４］のいずれかに記載の気相成長装置。
［６］ 前記金属塩化物が、ＧａＣｌ，ＧａＣｌ_３，ＡｌＣｌ，ＡｌＣｌ_３，ＩｎＣｌ，ＩｎＣｌ_３，ＭｇＣｌ_２のいずれかである、［１］乃至［５］のいずれかに記載の気相成長装置。

本発明の気相成長装置は、ハイドライド気相成長法を用い、短時間で原料ガスの切り替えが可能である。

本発明の気相成長装置の一実施形態を示す系統図である。 本発明の気相成長装置の他の実施形態を示す系統図である。

以下、本発明について、添付の図面を参照し、実施形態を示して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、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。

＜気相成長装置＞
先ず、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置の構成について、説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る気相成長装置を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の気相成長装置１は、基材Ｐを収容する反応炉２と、排気機構３と、原料ガス供給部４と、流量補償ガス供給部５と、差圧調整機構６と、第１主経路Ｌ１と、第２主経路Ｌ２と、を備えて概略構成される。
気相成長装置１は、少なくとも１種の金属塩化物を原料として用い、ハイドライド気相成長法によって１層以上の化合物半導体を成膜する装置である。

反応炉（チャンバとも称される）２は、内側に基材Ｐを収容する空間を有する。反応炉２には、反応炉２内に原料ガス、反応ガス、パージガス、ドーパント等を供給するためのノズル７と、基材Ｐを加熱するためのヒータ８及びＲＦコイル９と、反応炉２内の気体を排ガスとして排出するための排気口１０と、が設けられている。

基材Ｐは、特に限定されない。基材Ｐとしては、例えば、シリコン基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ヒ化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、酸化ガリウム基板が挙げられる。

排気口１０には、排ガス経路Ｌ３が接続されている。
排ガス経路Ｌ３には、排気機構３が設けられている。換言すると、排ガス経路Ｌ３は、反応炉２の排気口１０と、排気機構３との間に位置する。また、排ガス経路Ｌ３には、排ガスを加熱するためのヒータ１１が設けられている。

排気機構３は、減圧ポンプ等の減圧装置１２と、排ガス中から原料ガス等を回収するトラップ等の回収装置１３とを有する。これにより、排気機構３は、反応炉２から排ガスを排出し、排ガス中から未反応の原料ガス等を回収する。

第１主経路Ｌ１は、キャリアガス供給源（図示略）と反応炉２との間に位置する。具体的には、第１主経路Ｌ１の一端がキャリアガス供給源の供給口と接続されており、他端が反応炉２のノズル７の一つと接続されている。これにより、気相成長装置１は、キャリアガスをキャリアガス供給源から反応炉２内に供給できる。

キャリアガスは、化合物半導体の原料ガス、反応ガス、及びドーパント等（以下、単に原料ガス等という）を搬送するために用いるガスであり、原料ガス等と反応しないガスであれば、特に限定されない。キャリアガスとしては、例えば、水素、窒素、Ａｒ、Ｈｅが挙げられる。

第２主経路Ｌ２は、差圧補正用ガス供給源（図示略）と排気機構３との間に位置する。具体的には、第２主経路Ｌ２の一端が差圧補正用ガス供給源の供給口と接続されており、他端が排気機構３と接続されている。これにより、気相成長装置１は、差圧補正用ガスを差圧補正用ガス供給源から第２主経路Ｌ２内に流通できる。

差圧補正用ガスは、化合物半導体の原料ガス、反応ガス、及びドーパント等（以下、単に原料ガス等という）を搬送するために用いるガスであり、原料ガス等と反応しないガスであれば、特に限定されない。差圧補正用ガスとしては、キャリアガスとして挙げたガスを用いることができる。

本実施形態の気相成長装置１は、原料ガス供給部４として、２つの原料ガス供給部４Ａ，４Ｂを備える。ここで、原料ガス供給部４Ａは、金属塩化物として塩化ガリウムを供給する。また、原料ガス供給部４Ｂは、金属塩化物として塩化アルミニウムを供給する。

原料ガス供給部４Ａは、塩化ガリウムの供給源１４Ａと、供給源１４Ａから反応炉２へ塩化ガリウムを含む原料ガス（ガス）を供給するための第１経路Ｌ４Ａと、供給源１４Ａから排気機構３へ原料ガス（ガス）を排出するための第２経路Ｌ５Ａと、第１経路Ｌ４Ａ及び第２経路Ｌ５Ａの開放状態及び閉止状態を選択する第１選択機構１５Ａとを有する。

本実施形態の気相成長装置１は、ＧａＣｌ，ＧａＣｌ_３、ＡｌＣｌ，ＡｌＣｌ_３，ＩｎＣｌ，ＩｎＣｌ_３，ＭｇＣｌ_２のうち、少なくとも１種の金属塩化物を原料として用いる。これらの原料は、常温常圧において液体又は固体であるため、塩化ガリウム（金属塩化物）の供給源１４Ａには、キャリアガスの供給経路Ｌ６Ａや、加熱機構（図示略）が設けられている。また、キャリアガスの供給経路Ｌ６Ａには、ＭＦＣ等の流量調整器１６Ａが設けられている。所定の流量のキャリアガスを供給源１４Ａに供給して、塩化ガリウムの蒸気をキャリアガスに搬送させることで、塩化ガリウムを含むガスを原料ガスとして後段に供給できる。

第１経路Ｌ４Ａは、塩化物の供給源１４Ａと反応炉２との間に位置する。具体的には、第１経路Ｌ４Ａの一端は塩化物の供給源１４Ａと連通されており、他端は第１主経路Ｌ１に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、塩化ガリウムを含むガスを原料ガスとして、供給源１４Ａから第１経路Ｌ４Ａ及び第１主経路Ｌ１を介して反応炉２に供給できる。

第２経路Ｌ５Ａは、第１経路Ｌ４Ａから分岐し、塩化物の供給源１４Ａと排気機構３との間に位置する。具体的には、第２経路Ｌ５Ａの一端は、第１経路Ｌ４Ａと接続されており、塩化物の供給源１４Ａと連通されている。また、第２経路Ｌ５Ａの他端は、第２主経路Ｌ２に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、塩化ガリウムを含むガスを、供給源１４Ａから第１経路Ｌ４Ａ、第２経路Ｌ５Ａ及び第２主経路Ｌ２を介して排気機構３に排出できる。

第１選択機構１５Ａは、第１経路Ｌ４Ａに位置する第１開閉弁１７Ａと、第２経路Ｌ５Ａに位置する第２開閉弁１８Ａと、第１開閉弁１７Ａ及び第２開閉弁１８Ａの開放状態及び閉止状態を制御する制御機構（図示略）を有する。すなわち、第１選択機構１５Ａは、制御機構によって第１開閉弁１７Ａ及び第２開閉弁１８Ａの開放状態及び閉止状態を制御することで、第１経路Ｌ４Ａ及び第２経路Ｌ５Ａのうちいずれか一方を原料ガスの供給経路として選択する。したがって、本実施形態の気相成長装置１は、第１開閉弁１７Ａ及び第２開閉弁１８Ａの開閉を瞬時に行うことで、反応炉２への原料ガスの供給を短時間で開始又は停止できる。
なお、制御機構は、作業者（オペレータ）が都度指示を出して操作してもよいし、事前にプログラムを選択して自動制御としてもよい。

原料ガス供給部４Ｂは、金属塩化物として塩化アルミニウムを供給するものであり、塩化ガリウムの供給源１４Ａに代えて、塩化アルミニウムの供給源１４Ｂを備える以外は、原料供給部４Ａと同一の構成であるため、説明を省略する。

本実施形態の気相成長装置１では、第１主経路Ｌ１に２つの第１経路Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂがそれぞれ接続されて、供給源１４Ａ，１４Ｂから反応炉２へ金属塩化物を含むガスを原料ガスとして供給する供給経路を構成する。
また、本実施形態の気相成長装置１では、第２主経路Ｌ２に２つの第２経路Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂがそれぞれ接続されて、供給源１４Ａ，１４Ｂから排気機構３へ金属塩化物を含むガスを排出する排気経路を構成する。

本実施形態の気相成長装置１によれば、２つの原料ガス供給部４Ａ，４Ｂがそれぞれ第１選択機構１５Ａ，１５Ｂを備えるため、反応炉２への原料ガスの供給の切り替えを短時間で行うことができる。

流量補償ガス供給部５は、流量補償ガスの供給源（図示略）と、流量補償ガスの供給源から反応炉２へ流量補償ガスを供給するための第３経路Ｌ６と、流量補償ガスの供給源から排気機構３へ流量補償ガスを排出するための第４経路Ｌ７と、第３経路Ｌ６及び第４経路Ｌ７の開放状態及び閉止状態を選択する第２選択機構１９とを有する。

流量補償ガスは、原料ガス等に混合して用いるガスであり、原料ガス等と反応しないガスであれば、特に限定されない。流量補償ガスとしては、キャリアガス及び差圧補正用ガスとして挙げたガスを用いることができる。

第３経路Ｌ６は、流量補償ガスの供給源（図示略）と反応炉２との間に位置する。具体的には、第３経路Ｌ６の一端は流量補償ガスの供給源（図示略）と連通されており、他端は第１主経路Ｌ１に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、流量補償ガスを、供給源（図示略）から第３経路Ｌ６及び第１主経路Ｌ１を介して反応炉２に供給できる。

第４経路Ｌ７は、第３経路Ｌ６から分岐し、流量補償ガスの供給源（図示略）と排気機構３との間に位置する。具体的には、第４経路Ｌ７の一端は、第３経路Ｌ６に接続されており、第３経路Ｌ６を介して流量補償ガスの供給源（図示略）と連通されている。また、第４経路Ｌ７の他端は、第２主経路Ｌ２に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、流量補償ガスを、流量補償ガスの供給源（図示略）から第３経路Ｌ６、第４経路Ｌ７及び第２主経路Ｌ２を介して排気機構３に排出できる。

第２選択機構１９は、第３経路Ｌ６に位置する第３開閉弁２０と、第４経路Ｌ７に位置する第４開閉弁２１と、第３開閉弁２０及び第４開閉弁２１の開放状態及び閉止状態を制御する制御機構（図示略）を有する。すなわち、第２選択機構１９は、制御機構によって第３開閉弁２０及び第４開閉弁２１の開放状態及び閉止状態を制御することで、第３経路Ｌ６及び第４経路Ｌ７のうちいずれか一方を流量補償ガスの供給経路として選択する。したがって、本実施形態の気相成長装置１は、第３開閉弁２０及び第４開閉弁２１の開閉を瞬時に行うことで、流量補償ガスの供給先を短時間で切り替えできる。
なお、制御機構は、作業者（オペレータ）が都度指示を出して操作してもよいし、事前にプログラムを選択して自動制御としてもよい。

差圧調整機構６は、第１主経路Ｌ１内の圧力と第２主経路Ｌ２内の圧力との差圧を調整する。差圧調整機構６は、第１主経路Ｌ１に位置する第１流量調整器２２と、第２主経路Ｌ２に位置する第２流量調整器２３と、第１主経路Ｌ１と第２主経路Ｌ２とにわたって設けられた短絡経路Ｌ８と、短絡経路Ｌ８に位置する差圧計２４と、を有する。

本実施形態の気相成長装置１は、差圧計２４の測定値に応じて第１流量調整器２２及び第２流量調整器２３の少なくとも一方によって第１主経路Ｌ１内の圧力と第２主経路Ｌ２内の圧力とが等しくなるように調整する。これにより、反応炉２への原料ガスの供給を切り替えた際に原料ガスが逆流することを防ぐことができる。

なお、第２主経路Ｌ２には、流量補償ガス供給部５の二次側において、第１分岐経路Ｌ９が設けられている。すなわち、第１分岐経路Ｌ９の基端は第２主経路Ｌ２と接続されており、第１分岐経路Ｌ９の先端は排ガス経路Ｌ３の反応炉２寄りの位置に接続されている。
第１分岐経路には、先端寄りの位置において、第２分岐経路Ｌ１０が設けられている。すなわち、第２分岐経路Ｌ１０の基端は第１分岐経路Ｌ９と接続されており、第２分岐経路Ｌ１０の先端は排ガス経路Ｌ３の排気機構３寄りの位置に接続されている。
第２分岐経路Ｌ１０には、減圧ポンプ２５が設けられている。
また、第２主経路Ｌ２、第１分岐経路Ｌ９、及び第２分岐経路Ｌ１０には、それぞれ開閉弁Ｖ１～Ｖ４がそれぞれ設けられている。

本実施形態の気相成長装置１は、開閉弁Ｖ１～Ｖ４の開閉状態を適宜選択することで、低圧力環境においても原料ガス等あるいは流量補償ガスを含む差圧補償用ガスの排気経路を選択できる。

また、本実施形態の気相成長装置１は、反応炉２に設けられた他のノズル７に、それぞれパージガス供給経路（図示略）や、反応ガス及びドーピングガス供給経路（図示略）が接続されている。
反応ガス及びドーピングガスは、金属塩化物を含む原料ガスと反応して所望の化合物半導体を形成するもの、あるいはその組織内に取り込まれるものであれば、特に限定されない。反応ガスとしては、例えば、ＮＨ_３、ＡｓＨ_３、Ｏ_２，ＰＨ_３が挙げられ、ドーピングガスとしてはＳｉＨ_４が挙げられる。

＜化合物半導体の製造方法＞
次に、上述した本実施形態の気相成長装置１を用いた、化合物半導体の製造方法（成膜方法）について説明する。

本実施形態の化合物半導体の製造方法は、少なくとも１種の金属塩化物を原料として用い、ハイドライド気相成長法によって１層以上の化合物半導体を成膜する。
具体的には、所望の金属塩化物を供給するための原料ガス供給部４（４Ａ，４Ｂ）を選択する。例えば、先ず、原料ガス供給部４Ａにおいて、第１選択機構１５Ａにより第１経路Ｌ４Ａを選択し、塩化ガリウムを反応炉２へ供給する。次いで、第１選択機構１５Ａにより第２経路Ｌ５Ａを選択し、塩化ガリウムを排気機構３へ排出する。別途、所望の反応ガスを反応炉２へ供給して、基材Ｐの表面に第１の化合物半導体を成膜する。そして、第１の化合物半導体が所望の膜厚となるまで、原料ガスと反応ガスを供給する。

本実施形態の化合物半導体の製造方法によれば、原料ガス供給部４Ａが第１選択機構１５Ａを備えており、原料ガスの供給先を短時間で切り替えることができる。
その際、差圧調整機構６により、第１主経路Ｌ１と第２主経路Ｌ２との差圧を少なくなるように制御することで、原料ガスの供給先を切り替える際に一方の経路から他方の経路へ原料ガスが逆流することを防ぐことができる。

本実施形態の化合物半導体の製造方法によれば、基材Ｐの表面に所望の化合物半導体を製造（成膜）できる。
化合物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ｌｎＮ等の窒化物半導体、Ｇａ_２Ｏ_３で示される酸化ガリウム結晶、ＡｌＯ、ＡｌＧａＯｘ（ｘは任意の整数）等の酸化物半導体、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ｌｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ｌｎＰが挙げられる。また、これらの化合物半導体のうち、２以上の混合物や、これらが複数層積層された積層膜であってもよい。

ここで、２以上の混合物を成膜する場合、原料ガス供給部４Ａと原料ガス供給部４Ｂとを、適宜所望の流量となるように調整して反応炉２へ供給すればよい。
また、複数層積層された積層膜を成膜する場合、原料ガス供給部４Ａと原料ガス供給部４Ｂとから、２種の原料ガスを交互に反応炉２へ供給すればよい。

本実施形態の気相成長装置１によれば、反応炉２へ原料ガスを供給する第１経路Ｌ４（Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ）と、排気機構３へ原料ガスを排出する第２経路Ｌ５（Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂ）と、原料ガスの供給先を選択する第１選択機構１５（１５Ａ，１５Ｂ）とを有する２以上の原料ガス供給部４（４Ａ，４Ｂ）を備えるため、ハイドライド気相成長法を用いた場合であっても、短時間で原料ガスの切り替えが可能である。

また、本実施形態の気相成長装置１によれば、２以上の第１経路Ｌ４（Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ）が接続された第１主経路Ｌ１と、２以上の第２経路Ｌ５（Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂ）が接続された第２主経路Ｌ２と、第１主経路Ｌ１と第２主経路Ｌ２との間の差圧を調整する差圧調整機構６を備えており、排気機構３と接続された第２主経路Ｌ２のパージガス量を調整することで、各原料ガスを各第１経路Ｌ４（Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ）へ切り替える際、逆流等による原料ガスの混ざりを抑制できる。これにより、成膜時の化合物半導体の界面の急峻性が向上する。

また、本実施形態の気相成長装置１によれば、化合物半導体の各層の化合物の組成を変更する際、原料ガスを反応炉２に向かう第１主経路Ｌ１に供給したり、第２主経路Ｌ２に排出したりすることで、原料ガス自体の流量は変わらないため、原料ガス中の原料濃度が安定したまま反応炉２へ供給できる。さらに、原料ガスの供給先の切り替えのタイミングに合わせて、反応炉２に向かう第１主経路Ｌ１の流量を調整したり、流量補償ガス供給部５によって等量の流量補償用ガスを反対方向（第１主経路Ｌ１から第２主経路Ｌ２）に切り替えたりすることで、反応炉２に向かう第１主経路Ｌ１内の圧力変動や、ガス流量の変動を抑えることができる。したがって、原料ガスの供給先を切り替えた前後で原料ガスが混じらず、反応炉２内に供給される。その結果、化合物半導体の各層の界面の急峻性が向上する。

本実施形態の気相成長装置１では、原料として用いる金属塩化物は常温で固体であり、昇華点が２００℃前後であるため、供給経路を温めないと原料が固化してしまう。このため、反応炉２に向かう供給経路を構成する配管の全てが加熱されるが、排気機構３へ向かう排出経路を構成する配管では、最終的に原料を捕集する必要がある。その場合、排出経路を排気機構３に設けたトラップ等の回収装置１３に接続し、冷却することで、排出ガス中の未反応の原料ガスを効率的に捕集できる。

さらに、本実施形態の気相成長装置１では、原料ガス供給部４（４Ａ，４Ｂ）の供給源１４（１４Ａ，１４Ｂ）の交換や、各種点検後などの真空置換や減圧リークチェックを行う場合、排気機構３に付属した減圧ポンプ２５、及び第２主経路Ｌ２を利用することで、反応炉２内を経由させることなく真空引きできる。これにより、反応炉２の汚染防止や、真空引き時間の短縮が可能となる。

＜他の実施形態＞
次に、本発明を適用した他の実施形態である気相成長装置の構成について、説明する。
図２は、本発明の他の実施形態に係る気相成長装置を示す系統図である。
図２に示すように、他の実施形態の気相成長装置５１は、上述した気相成長装置１を構成する原料ガス供給部４Ａ，４Ｂに代えて、原料ガス供給部４Ｃを備える点で相違する。したがって、上述した気相成長装置１と同じ構成については同一の符号を付すとともに、説明を省略する。

原料ガス供給部４Ｃは、塩化マグネシウムの供給源１４Ｃと、供給源１４Ｃから反応炉２へ塩化マグネシウムを含む原料ガス（ガス）を供給するための第１経路Ｌ４Ｃと、供給源１４Ｃから排気機構３へ原料ガス（ガス）を排出するための第２経路Ｌ５Ｃと、第１経路Ｌ４Ｃ及び第２経路Ｌ５Ｃの開放状態及び閉止状態を選択する第１選択機構１５Ｃとを有する。

塩化マグネシウム（金属塩化物）の供給源１４Ｃには、キャリアガスの供給経路Ｌ６Ｃや、加熱機構（図示略）が設けられている。また、キャリアガスの供給経路Ｌ６Ｃには、ＭＦＣ等の流量調整器１６Ｃが設けられている。所定の流量のキャリアガスを供給源１４Ｃに供給して、塩化マグネシウムの蒸気をキャリアガスに搬送させることで、塩化マグネシウムを含むガスを原料ガスとして後段に供給できる。

第１経路Ｌ４Ｃは、塩化物の供給源１４Ｃと反応炉２との間に位置する。具体的には、第１経路Ｌ４Ｃの一端は塩化物の供給源１４Ｃと連通されており、他端は第１主経路Ｌ１に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、塩化マグネシウムを含むガスを原料ガスとして、供給源１４Ｃから第１経路Ｌ４Ｃ及び第１主経路Ｌ１を介して反応炉２に供給できる。

第２経路Ｌ５Ｃは、第１経路Ｌ４Ｃから分岐し、塩化物の供給源１４Ｃと排気機構３との間に位置する。具体的には、第２経路Ｌ５Ｃの一端は、第１経路Ｌ４Ｃと接続されており、塩化物の供給源１４Ｃと連通されている。また、第２経路Ｌ５Ｃの他端は、第２主経路Ｌ２に接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置１は、塩化マグネシウムを含むガスを、供給源１４Ｃから第１経路Ｌ４Ｃ、第２経路Ｌ５Ｃ及び第２主経路Ｌ２を介して排気機構３に排出できる。

第１選択機構１５Ｃは、第１経路Ｌ４Ｃに位置する第１開閉弁１７Ｃと、第２経路Ｌ５Ｃに位置する第２開閉弁１８Ｃと、第１開閉弁１７Ｃ及び第２開閉弁１８Ｃについて開放状態及び閉止状態を制御する制御機構（図示略）を有する。すなわち、第１選択機構１５Ｃは、制御機構によって第１開閉弁１７Ｃ及び第２開閉弁１８Ｃの開放状態及び閉止状態を制御することで、第１経路Ｌ４Ｃ及び第２経路Ｌ５Ｃのうちいずれか一方を原料ガスの供給経路として選択する。したがって、本実施形態の気相成長装置５１は、第１開閉弁１７Ｃ及び第２開閉弁１８Ｃの開閉を瞬時に行うことで、反応炉２への原料ガスの供給を短時間で開始又は停止できる。
なお、制御機構は、作業者（オペレータ）が都度指示を出して操作してもよいし、事前にプログラムを選択して自動制御としてもよい。

本実施形態の気相成長装置５１は、原料ガス中の塩化マグネシウムの濃度を希釈するための希釈ガスを第１経路Ｌ４Ｃに供給するために、希釈ガス供給経路Ｌ１１を備える。
希釈ガス供給経路Ｌ１１は、希釈ガス供給源（図示略）と第２主経路Ｌ２との間に位置する。具体的には、希釈ガス供給経路Ｌ１１の基端は希釈ガス供給源と接続されており、先端は分岐経路Ｌ９の二次側の第２主経路Ｌ２と接続されている。そして、希釈ガス供給経路Ｌ１１は、基端と先端との間のいずれかの位置で、第１経路Ｌ４Ｃと接続されている。これにより、本実施形態の気相成長装置５１は、希釈ガスを第１経路Ｌ４Ａに供給して、原料ガス中の塩化マグネシウムの濃度を所望の濃度まで希釈できる。

希釈ガスは、原料ガスに混合して用いるガスであり、原料ガス等と反応しないガスであれば、特に限定されない。希釈ガスとしては、キャリアガスとして挙げたガスを用いることができる。

第１経路Ｌ４Ｃの、希釈ガス供給経路Ｌ１１との接続部と第２経路Ｌ５Ｃとの分岐部との間には、流量調整器２６が設けられている。
希釈ガス供給経路Ｌ１１の、第１経路Ｌ４Ｃとの接続部の一次側には、流量調整器２７が設けられている。
また、希釈ガス供給経路Ｌ１１の、第１経路Ｌ４Ｃとの接続部と、第２主経路Ｌ２との接続部との間には、圧力計２８及び流量制御弁２９が設けられている。

本実施形態の気相成長装置５１によれば、原料ガスをさらにキャリアガスで希釈し、ＭＦＣ等の流量調整器２６によって第１経路Ｌ４Ｃ及び希釈ガス供給経路Ｌ１１の合計流量よりも少ない流量を設定することができるため、原料ガスの流量を４桁程度で制御できる。したがって、原料ガス供給部４Ｃをドーパントラインとして用いることができる。

また、本実施形態の気相成長装置５１によれば、流量調整器２６による流量制御によって溢れたガスを、流量制御弁２９を介して第２主経路Ｌ２に排出する。これにより、塩化マグネシウムを含む原料ガスの供給先を第１主経路Ｌ１と第２主経路Ｌ２との間で切り替える際、逆流などによる原料ガスの混入を抑制できる。
なお、本実施形態の構成は、ノズル７にガスとして供給するドーピングガスにも応用可能である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、上述した気相成長装置１，５１では、１つ又は２つの原料ガス供給部４（４Ａ～４Ｃ）を有する構成を一例として説明したが、これに限定されない。本発明の気相成長装置は、３つ以上の原料ガス供給部４Ａ～４Ｃを同時に有する構成であってもよい。これにより、ドーパントを含む原料ガスを反応炉２に供給できるため、任意の化合物半導体の積層膜を成膜できる。

また、上述した気相成長装置１，５１では、第１経路Ｌ４（Ｌ４Ａ～Ｌ４Ｃ）と第２経路Ｌ５（Ｌ５Ａ～Ｌ５Ｃ）とが基端部で合流し、先端で分岐する構成を一例としたが、これに限定されない。本発明の気相成長装置は、第１経路Ｌ４（Ｌ４Ａ～Ｌ４Ｃ）と第２経路Ｌ５（Ｌ５Ａ～Ｌ５Ｃ）とが分岐や合流せずに供給源１４（１４Ａ～１４Ｃ）それぞれ接続される構成であってもよい。

また、上述した気相成長装置１，５１では、差圧調整機構６が短絡経路Ｌ８及び差圧計２４を有する構成を一例としたが、これに限定されない。本発明の気相成長装置は、差圧調整機構が、第１主経路Ｌ１に位置する第１流量調整器２２及び第１圧力測定器と、第２主経路Ｌ２に位置する第２流量調整器２３及び第２圧力測定器と、を含む構成であってもよい。

以下、実施例によって本発明の効果を説明するが、本発明は実施例の構成に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す気相成長装置１を用いて、基材Ｐの表面上に化合物半導体を成膜した。
具体的には、差圧調整機構６によって、第１主経路Ｌ１及び第２主経路Ｌ２の圧力が同圧となるようにフィードバック調節を行った。さらに、原料ガス供給部４Ａ、４Ｂにおいて、第１選択機構１５Ａ，１５Ｂによる各開閉弁の開閉動作をあらかじめ制御部のプログラムに書き込み、プログラムを実行することで、ＩＩＩ族原料であるＡｌＣｌ_３、ＧａＣｌ_３を原料ガスとして交互に反応炉２へ供給した。

それぞれの原料ガスは、窒素キャリアガスとの合計で５００ｓｃｃｍの流量で供給し、さらに補償ガスラインにも窒素キャリアガス５００ｓｃｃｍの流量で供給した。
反応炉２に向かう第１主経路Ｌ１には、ＡｌＣｌ_３を含む原料ガスを１分、補償ガスを１０秒、ＧａＣｌ_３を含む原料ガスを１分、補償ガスを１０秒ずつ供給するサイクルを２０回繰り返した。

各ガスの切り替え時は、等量のガスが反応炉２に向かう第１主経路Ｌ１と、排気機構３に向かう第２主経路Ｌ２との間で切り替わるため、第１主経路Ｌ１と第２主経路Ｌ２との差圧はほとんど変化しなかったが、第２主経路Ｌ２の上流に設置した補償ガスを流す流量調節器２３がわずかに変化した。これにより、原料ガスのわずかな流量差やコンダクタンス差を瞬時に補正していることが確認された。

反応炉２に、Ｖ族原料としてＮＨ_３を供給し、１０００℃に加熱して、ＡｌＮ／ＧａＮの多層薄膜を製作した。成膜後、多層薄膜の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で測定したところ、界面の乱れが数原子層にとどまっており、ＭＯＣＶＤ装置で成膜した場合と同程度であることを確認した。

（比較例１）
図１に示す気相成長装置１において、第１主経路Ｌ１に接続された第１経路Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂのみを用い、第１開閉弁１７Ａ，１７Ｂを手動で操作して、反応炉２へ供給する原料ガスを切り替えてＡｌＮ／ＧａＮの多層薄膜を製作した。多層薄膜の断面をＴＥＭで測定ところ、界面の乱れは数十原子層に及んでいることを確認した。

（実施例２）
図２に示す気相成長装置５１を用いて、反応炉２へドーパントであるＭｇＣｌ_２を供給した。
具体的には、キャリアガスの供給経路Ｌ６Ｃに、最大値１００ｓｃｃｍのマスフローコントローラ（流量調節器）１６Ｃを設け、マスフローコントローラ１６Ｃを用いて０．１％濃度１００ｓｃｃｍの原料ガスを同伴した。この際、希釈ガス供給経路Ｌ１１には希釈ガスを流さず、第１経路Ｌ４Ｃのマスフローコントローラ（流量調節器）２６を９５ｓｃｃｍに設定することで、１００％濃度換算で０．０９５ｓｃｃｍの原料ガスを反応炉２へ供給できた。

次に、マスフローコントローラ１６Ｃの設定値を制御下限である２ｓｃｃｍに設定し、流量調節器２７を用いて５００ｓｃｃｍの希釈ガスを希釈ガス供給経路Ｌ１１に供給し、希釈ガス供給経路Ｌ１１と第１経路Ｌ４Ｃとの合流後のマスフローコントローラ２６の設定値を２ｓｃｃｍに設定することで、１００％濃度換算で０．０００００８ｓｃｃｍの原料ガスを反応炉２へ供給できた。
このように、本発明の気相成長装置５１によれば、反応炉２へのドーピングガス導入量を４ケタ以上の高い精度で制御可能であることが確認できた。

１，５１ 気相成長装置
２ 反応炉
３ 排気機構
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 原料ガス供給部
５ 流量補償ガス供給部
６ 差圧調整機構
７ ノズル
１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ 供給源
１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ 第１選択機構
１６Ａ、１６Ｂ，１６Ｃ 流量調整器
１９ 第２選択機構
２２ 第１流量調整器
２３ 第２流量調整器
２４ 差圧計
２５ 減圧ポンプ
２６，２７ 流量調整器
２８ 圧力計
２９ 流量制御弁
Ｌ１ 第１主経路
Ｌ２ 第２主経路
Ｌ４，Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ，Ｌ４Ｃ 第１経路
Ｌ５，Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂ，Ｌ５Ｃ 第２経路
Ｌ６ 第３経路
Ｌ７ 第４経路
Ｌ８ 短絡経路
Ｐ 基材

Claims (6)

1. 少なくとも１種の金属塩化物を原料として用い、ハイドライド気相成長法によって１層以上の化合物半導体を成膜する気相成長装置であって、
   基材を収容する反応炉と、
   前記反応炉から排ガスを排出する排気機構と、
   金属塩化物の供給源と、前記供給源から前記反応炉へ前記金属塩化物を含むガスを供給する供給経路の一部を構成する第１経路と、前記供給源から前記排気機構へ前記ガスを排出する排気経路の一部を構成する第２経路と、前記第１経路及び前記第２経路の開放状態及び閉止状態を選択する第１選択機構とを有する、１以上の原料ガス供給部と、を備える、気相成長装置。
2. キャリアガス供給源と前記反応炉との間に位置する第１主経路と、
   差圧補正用ガス供給源と前記排気機構との間に位置する第２主経路と、
   前記第１主経路と前記第２主経路との差圧を調整する差圧調整機構と、を備え、
   前記第１主経路には、１以上の前記第１経路が接続され、
   前記第２主経路には、１以上の前記第２経路が接続される、請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記差圧調整機構が、
   前記第１主経路に位置する第１流量調整器及び第１圧力測定器と、
   前記第２主経路に位置する第２流量調整器及び第２圧力測定器と、を含む、請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記差圧調整機構が、
   前記第１主経路と前記第２主経路とにわたって設けられた短絡経路と、
   前記短絡経路に位置する差圧計と、を含む、請求項２又は３に記載の気相成長装置。
5. 流量補償用ガス供給源と前記第１主経路との間に位置する第３経路と、
   前記流量補償用ガス供給源と前記第２主経路との間に位置する第４経路と、
   前記第３経路及び前記第４経路の開放状態及び閉止状態を選択する第２選択機構と、を有する流量補償ガス供給部をさらに備える、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の気相成長装置。
6. 前記金属塩化物が、ＧａＣｌ，ＧａＣｌ_３，ＡｌＣｌ，ＡｌＣｌ_３，ＩｎＣｌ，ＩｎＣｌ_３，ＭｇＣｌ_２のいずれかである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気相成長装置。

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