JP2023027494A - 成膜装置と半導体装置の製造方法 - Google Patents

成膜装置と半導体装置の製造方法 Download PDF

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浩之 西中
Hiroyuki Nishinaka
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Masahiro Yoshimoto
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Abstract

【課題】 ミストを用いる成膜装置において、より効率的にミストを加熱する。【解決手段】 成膜装置であって、基板を載置するステージと、前記基板を加熱するヒータと、溶媒に膜材料が溶解した溶液のミストを供給するミスト供給源と、前記溶媒と同じ材料の過熱蒸気を供給する過熱蒸気供給源と、前記ミストと前記過熱蒸気を前記基板の表面に向かって送出する送出装置、を有する。前記基板の前記表面に前記膜材料を含む膜を成長させる。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、成膜装置と半導体装置の製造方法に関する。
特許文献１には、基板の表面に膜を成長させる成膜装置が開示されている。この成膜装置は、溶媒に膜材料が溶解した溶液のミストと加熱ガスを基板の表面に供給する。これによって、基板の表面に膜を成長させる。この構成によれば、ミストから溶媒が蒸発することを抑制しながら加熱ガスによってミストを加熱することができる。高温のミストが基板の表面に供給されるので、基板の温度低下を抑制できる。したがって、基板の表面に安定した品質の膜をエピタキシャル成長させることができる。
特開２０２０－１２００３４号公報
特許文献１の技術では、加熱ガスによるミストの加熱効率がそれほど高くないという問題があった。本明細書では、より効率的にミストを加熱することができる技術を提案する。
本明細書が開示する成膜装置は、基板を載置するステージと、前記基板を加熱するヒータと、溶媒に膜材料が溶解した溶液のミストを供給するミスト供給源と、前記溶媒と同じ材料の過熱蒸気を供給する過熱蒸気供給源と、前記ミストと前記過熱蒸気を前記基板の表面に向かって送出する送出装置、を有する。前記成膜装置は、前記基板の前記表面に前記膜材料を含む膜を成長させる。
なお、過熱蒸気とは、沸点よりも高い温度を有するガスを意味する。
この成膜装置では、ミストと過熱蒸気が基板の表面に向かって送出される。ミストと過熱蒸気が基板の表面に向かって送出されるときに、過熱蒸気によってミストが加熱される。蒸気の温度を沸点の温度よりも高くするためには潜熱分のエネルギーが必要であるため、過熱蒸気の分子エネルギーは飽和蒸気（すなわち、沸点と等しい温度を有するガス）の分子エネルギーよりもはるかに大きい。このため、過熱蒸気によれば、飽和蒸気よりも効率的にミストを加熱することができる。すなわち、過熱蒸気によれば、ミストから溶媒が蒸発することを抑制しながらミストを効率的に加熱することができる。したがって、この成膜装置によれば、基板の表面により安定した品質の膜を成長させることができる。
また、本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、成膜装置を用いて半導体装置を製造する。前記成膜装置が、基板を載置するステージと、前記基板を加熱するヒータと、溶媒に膜材料が溶解した溶液のミストを供給するミスト供給源と、前記溶媒と同じ材料の過熱蒸気を供給する過熱蒸気供給源と、前記ミストと前記過熱蒸気を送出する送出装置、を有する。この製造方法は、前記送出装置から前記基板の表面に向かって前記ミストと前記過熱蒸気を送出することによって、前記基板の前記表面に前記膜材料を含む膜を成長させる工程を有する。
この製造方法によれば、基板の表面により安定した品質の膜を成長させることができる。
実施例１の成膜装置の構成図。 気体の温度Ｔと、気体の質量速度Ｇと、水の蒸発速度Ｓの関係を示すグラフ。 変形例の成膜装置の構成図。 実施例２の成膜装置の構成図。 実施例３の成膜装置の構成図。
本明細書が開示する一例の成膜装置は、前記基板の前記表面に前記膜をエピタキシャル成長させてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記溶媒が、Ｈ２Ｏであり、前記過熱蒸気が、過熱水蒸気であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記ミストと前記過熱水蒸気の合流位置における前記過熱水蒸気の質量速度Ｇと、前記合流位置における前記過熱水蒸気の温度Ｔが、Ｔ＜５３０Ｇ－０．１５の関係を満たしてもよい。
この構成によれば、過熱水蒸気によるミストの加熱効率をより高めることができる。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記過熱水蒸気の温度が１７５℃未満であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記過熱水蒸気の温度が１５０℃未満であってもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記過熱水蒸気が流れる流路内の気圧が大気圧未満であってもよい。前記過熱水蒸気の温度が１００℃未満であってもよい。
このように、流路内の気圧が大気圧未満の場合には、水の沸点が１００℃未満となるので、過熱水蒸気の温度が１００℃未満となり得る。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記送出装置が、前記ミストと前記過熱蒸気の混合体が流れる混合流路を有していてもよい。前記混合体が、前記混合流路を通って前記基板の前記表面に送出されてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記送出装置が、第１流路と、前記第１流路から分離されている第２流路を有していてもよい。前記ミストが、前記第１流路を通って前記基板の前記表面に送出されてもよい。前記過熱蒸気が、前記第２流路を通って前記基板の前記表面に送出されてもよい。
本明細書が開示する一例の成膜装置では、前記過熱蒸気供給源が、前記溶媒と同じ材料によって構成された液体材料を前記液体材料の沸点よりも低い第１温度まで加熱し、その後、前記液体材料を減圧することによって前記液体材料の前記沸点を前記第１温度よりも低い温度まで低下させることによって前記過熱蒸気を発生させてもよい。
この構成によれば、大量の過熱蒸気を短時間で発生させることができる。
図１に示す実施例１の成膜装置は、基板１２の表面に膜をエピタキシャル成長させる装置である。実施例１の成膜装置は、エピタキシャル成長させた膜を有する半導体装置の製造に用いられる。実施例１の成膜装置は、成膜炉１５、ミスト発生槽２０、及び、過熱水蒸気発生装置８０を有している。
成膜炉１５内に、サセプタ１６が配置されている。サセプタ１６は、水平に配置された平坦な上面を有している。サセプタ１６上には、基板１２が載置される。サセプタ１６は、ヒータ１４を内蔵している。ヒータ１４によって、基板１２が加熱される。サセプタ１６は、その中心軸回りに回転することができる。サセプタ１６が回転することで、サセプタ１６上の基板１２が面内で回転する。
ミスト発生槽２０は、密閉型の容器である。ミスト発生槽２０は、基板１２の表面にエピタキシャル成長させる膜の原料を水（Ｈ２Ｏ）に溶かした溶液２１を貯留している。例えば、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）の膜をエピタキシャル成長させる場合には、溶液２１として水にガリウムが溶解した溶液を用いることができる。また、溶液２１中に、酸化ガリウム膜にｎ型またはｐ型のドーパントを付与するための原料（例えば、フッ化アンモニウム等）がさらに溶解していてもよい。また、溶液２１中に、塩酸が含まれていてもよい。溶液２１の水面２１ａとミスト発生槽２０の上面の間には、空間２６が設けられている。ミスト発生槽２０の底面には、超音波振動子２８が設置されている。超音波振動子２８は、ミスト発生槽２０内に貯留されている溶液２１に超音波を印加する。溶液２１に超音波が印加されると、溶液２１の水面２１ａが振動して、溶液２１の上部の空間２６に溶液２１のミスト（以下、溶液ミスト７２という）が発生する。ミスト発生槽２０の上面には、溶液ミスト供給路２４の上流端が接続されている。ミスト発生槽２０の外周壁の上部には、搬送ガス供給路２２の下流端が接続されている。搬送ガス供給路２２の上流端は、図示しない搬送ガス供給源に接続されている。搬送ガス供給路２２は、搬送ガス供給源からミスト発生槽２０内の空間２６に搬送ガス２３を導入する。搬送ガス２３は、例えば、窒素等の不活性ガスである。搬送ガス供給路２２から空間２６内に導入された搬送ガス２３は、空間２６から溶液ミスト供給路２４へ流れる。このとき、空間２６内の溶液ミスト７２が、搬送ガス２３とともに溶液ミスト供給路２４へ流れる。
溶液ミスト供給路２４は、成膜炉１５の内部まで伸びている。溶液ミスト供給路２４の下流端には、サセプタ１６の上面に向かって伸びるノズル３４が形成されている。溶液ミスト供給路２４の下流端まで流れた溶液ミスト７２は、ノズル３４からサセプタ１６上の基板１２の上面に向かって吐出される。
過熱水蒸気発生装置８０は、水貯留槽６０と加熱炉４０を有している。
水貯留槽６０は、密閉型の容器である。水貯留槽６０は、水（より詳細には、純水（Ｈ２Ｏ））６１を貯留している。水６１の水面６１ａと水貯留槽６０の上面との間には、空間６６が設けられている。水貯留槽６０の底面には、超音波振動子６８が設置されている。超音波振動子６８は、水貯留槽６０内に貯留されている水６１に超音波を印加する。水６１に超音波が印加されると、水６１の水面６１ａが振動して、水６１の上部の空間６６に水６１のミスト（以下、水ミスト７０という）が発生する。水貯留槽６０の上面には、水ミスト供給路６４の上流端が接続されている。水貯留槽６０の外周壁の上部には、搬送ガス供給路６２の下流端が接続されている。搬送ガス供給路６２の上流端は、図示しない搬送ガス供給源に接続されている。搬送ガス供給路６２は、搬送ガス供給源から水貯留槽６０内の空間６６に搬送ガス６３を導入する。搬送ガス６３は、例えば、窒素等の不活性ガスである。搬送ガス供給路６２から空間６６内に導入された搬送ガス６３は、空間６６から水ミスト供給路６４へ流れる。このとき、空間６６内の水ミスト７０が、搬送ガス６３とともに水ミスト供給路６４へ流れる。
加熱炉４０は、上流端４０ａから下流端４０ｂまで延びる管状炉である。加熱炉４０の外側に、ヒータ４４が配置されている。ヒータ４４は、電熱線式のヒータであって、加熱炉４０の外周壁に沿って配置されている。ヒータ４４は加熱炉４０の外周壁を加熱し、それによって加熱炉４０の内部が加熱される。加熱炉４０の上流端４０ａには、水ミスト供給路６４の下流端が接続されている。加熱炉４０の下流端４０ｂには、過熱水蒸気供給路４２の上流端が接続されている。加熱炉４０には、水ミスト供給路６４から水ミスト７０と搬送ガス６３が導入される。水ミスト７０と搬送ガス６３は、加熱炉４０内を上流端４０ａから下流端４０ｂまで流れる。水ミスト７０と搬送ガス６３は、加熱炉４０内で加熱される。水ミスト７０は、加熱炉４０内を流れる間に蒸発して水蒸気となる。加熱炉４０内で発生した水蒸気が流れる流路（すなわち、加熱炉４０、過熱水蒸気供給路４２、及び、成膜炉１５）の内部の気圧は、略大気圧である。加熱炉４０内において、水蒸気は１００℃（すなわち、大気圧下における水の沸点）よりも高温まで加熱される。したがって、加熱炉４０内で過熱水蒸気４３が発生する。過熱水蒸気４３は、加熱炉４０から過熱水蒸気供給路４２へ流れる。過熱水蒸気４３は、溶液２１の溶媒である水（Ｈ２Ｏ）と同じ材料の過熱蒸気である。
過熱水蒸気供給路４２は、成膜炉１５の内部まで伸びている。過熱水蒸気供給路４２の下流端には、サセプタ１６の上面に向かって伸びるノズル３２が形成されている。過熱水蒸気供給路４２の下流端まで流れた過熱水蒸気４３は、ノズル３２からサセプタ１６上の基板１２の上面に向かって吐出される。
次に、実施例１の成膜装置を用いた成膜方法について説明する。ここでは、基板１２として、β型酸化ガリウム（β-Ｇａ２Ｏ３）の単結晶によって構成された半導体基板を用いる。また、溶液２１として、水に塩化ガリウム（ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６）が溶解した水溶液を用いる。また、搬送ガス２３、６３として窒素ガスを用いる。
まず、サセプタ１６上に基板１２を設置する。次に、サセプタ１６を回転させるとともに、ヒータ１４によって、基板１２を加熱する。基板１２の温度が安定したら、超音波振動子６８を動作させることによって、水貯留槽６０の空間６６内に水ミスト７０を発生させる。さらに、搬送ガス供給路６２から水貯留槽６０に搬送ガス６３を導入する。すると、水ミスト７０が水ミスト供給路６４を通って加熱炉４０内に流入し、加熱炉４０内で過熱水蒸気４３が生成される。過熱水蒸気４３は、過熱水蒸気供給路４２を通ってノズル３２へ流入する。したがって、ノズル３２から基板１２の上面に向かって過熱水蒸気４３が吐出される。また、超音波振動子６８を動作させるのと略同時に、超音波振動子２８を動作させる。これによって、ミスト発生槽２０の空間２６内に溶液ミスト７２を発生させる。さらに、搬送ガス供給路２２からミスト発生槽２０に搬送ガス２３を導入する。すると、溶液ミスト７２が溶液ミスト供給路２４を通ってノズル３４へ流入する。したがって、ノズル３４から基板１２の上面に向かって溶液ミスト７２が吐出される。
ノズル３２から吐出された過熱水蒸気４３とノズル３４から吐出された溶液ミスト７２は、基板１２の上部で合流する。ノズル３２の吐出方向とノズル３４の吐出方向の間の角度は、９０°未満に設定されている。このため、合流位置における過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の相対速度Ｖｒは、ノズル３２から吐出される過熱水蒸気４３の流速Ｖ４３よりも低い。過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２は、基板１２の上部で混合される。したがって、過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の混合体が、基板１２の上面に供給される。
過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２が混合されると、溶液ミスト７２が過熱水蒸気４３によって加熱される。過熱水蒸気４３が高いエネルギーを有しているので、溶液ミスト７２を効率的に加熱することができる。
過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の混合体が基板１２の上面に向かって吐出されると、溶液ミスト７２が基板１２の上面に付着する。基板１２の温度が溶液ミスト７２の温度よりも高いので、溶液ミスト７２（すなわち、溶液２１）が基板１２上で化学反応を起こす。その結果、基板１２上に、β型酸化ガリウム（β-Ｇａ２Ｏ３）が生成される。基板１２の表面に継続的に溶液ミスト７２が供給されるので、基板１２の上面に酸化ガリウム膜が成長する。基板１２の表面に単結晶の酸化ガリウム膜がエピタキシャル成長する。このように形成された酸化ガリウム膜を用いて、半導体装置を製造することができる。溶液２１がドーパントの原料を含む場合には、酸化ガリウム膜にはドーパントが取り込まれる。例えば、溶液２１がフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）を含む場合には、フッ素がドープされた酸化ガリウム膜が形成される。
溶液ミスト７２が基板１２の上面に付着するときに、基板１２から熱が奪われる。これによって基板１２の温度が低下すると、酸化ガリウム膜の膜質が低下する。これに対し、実施例１では、溶液ミスト７２が過熱水蒸気４３によって加熱されているので、溶液ミスト７２が基板１２の上面に付着するときに基板１２から熱が奪われ難い。したがって、基板１２を適切な温度に安定して維持することができる。したがって、基板１２の上面に、好適に酸化ガリウム膜をエピタキシャル成長させることができる。
また、溶液ミスト７２が加熱されるときに溶液ミスト７２から水（すなわち、溶媒）が蒸発すると、溶液ミスト７２の各液滴を構成する溶液２１の濃度が上昇する。このように、各液滴を構成する溶液２１の濃度が変化すると、成長させる膜の特性の制御が困難となる。また、各液滴を構成する溶液２１から水が過度に蒸発すると、溶液２１が固体微粒子に変化する。このような固体微粒子が発生すると、成長させる膜に固体微粒子が付着して膜質が悪化する。しかしながら、実施例１の成膜装置では、過熱水蒸気４３によって溶液ミスト７２を加熱するので、溶液ミスト７２の周囲で水蒸気の分圧が高く、溶液ミスト７２から水が蒸発し難い。このため、適切な濃度の溶液２１を溶液ミスト７２として基板１２の上面に供給できる。このため、基板１２の上面に高品質な膜を成長させることができる。
気体によって水を加熱するときの水の蒸発速度Ｓ（ｋｇ/（ｍ２・ｈｒ））は、気体の種類、気体の質量速度Ｇ（ｋｇ/（ｍ２・ｈｒ））、及び、気体の温度Ｔ（℃）によって異なる。なお、質量速度Ｇは、水に向かって気体を流すときに単位時間あたりに流れる気体の質量である。図２は、静止状態の水を気体（空気または過熱水蒸気）によって加熱するときの水の蒸発速度Ｓを示している。図２に示すように、空気と過熱水蒸気のそれぞれにおいて、質量速度Ｇが高いほど蒸発速度Ｓが高くなる。また、各質量速度Ｇにおいて、温度Ｔが高くなるほど蒸発速度Ｓが高くなる。各質量速度Ｇにおいて、過熱水蒸気では空気よりも、温度Ｔに対する蒸発速度Ｓの上昇率（すなわち、グラフの傾き）が大きい。このため、各質量速度Ｇにおいて、過熱水蒸気と空気の間で蒸発速度Ｓの大きさが逆転する逆転点温度Ｔｒが存在する。すなわち、各質量速度Ｇにおいて、温度Ｔが逆転点温度Ｔｒよりも低い場合には過熱水蒸気で空気よりも蒸発速度Ｓが小さくなり、温度Ｔが逆転点温度Ｔｒよりも高い場合には過熱水蒸気で空気よりも蒸発速度Ｓが大きくなる。したがって、過熱水蒸気で水を加熱する場合には、過熱水蒸気の温度Ｔが逆転点温度Ｔｒよりも低いと、より効率的に加熱することができる。図２の実験結果から、逆転点温度Ｔｒを質量速度Ｇの関数とみなすことができる。逆転点温度Ｔｒは、Ｔｒ＝５３０Ｇ－０．１５の関係を満たす。したがって、Ｔ＜５３０Ｇ－０．１５となる温度範囲内の過熱水蒸気であれば、水の蒸発を効果的に抑制しながら水を加熱することができる。
実施例１の成膜装置においては、ノズル３２から吐出される過熱水蒸気４３の質量速度Ｇ４３と温度Ｔ４３が、Ｔ４３＜５３０Ｇ４３ －０．１５の関係を満たす。上述したように、過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の合流位置における過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の相対速度Ｖｒは、ノズル３２から吐出される過熱水蒸気４３の流速Ｖ４３よりも低い。したがって、合流位置における過熱水蒸気４３の溶液ミスト７２に対する相対的な質量速度Ｇｒは、ノズル３２から吐出される過熱水蒸気４３の質量速度Ｇ４３よりも低い。したがって、Ｔ４３＜５３０Ｇ４３ －０．１５の関係が満たされれば、Ｔ４３＜５３０Ｇｒ－０．１５の関係が満たされる。したがって、実施例１の成膜装置において、合流位置における過熱水蒸気４３の温度Ｔ４３を、逆転点温度Ｔｒよりも低い温度とすることができる。したがって、実施例１の成膜装置によれば、溶液ミスト７２からの水の蒸発を効果的に抑制しながら、過熱水蒸気４３によって溶液ミスト７２を加熱することができる。なお、温度Ｔ４３は、１７５℃未満であってもよい。温度Ｔ４３を１７５℃未満とすることで、実用的な質量速度Ｇｒの範囲内において温度Ｔ４３を逆転点温度以下とすることができる。特に、温度Ｔ４３は、１５０℃未満であってもよい。
なお、実施例１では、過熱水蒸気供給路４２と溶液ミスト供給路２４が分離されていた。しかしながら、図３に示すように、過熱水蒸気供給路４２と溶液ミスト供給路２４がこれらの下流部で合流することによって混合流路４５が形成されていてもよい。混合流路４５の下流端に、基板１２の上面に向かって伸びるノズル３０が形成されている。この構成では、混合流路４５の上流端で過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２が合流する。混合流路４５内で過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２が混合され、これらの混合体７３がノズル３０から基板１２の上面に向かって吐出される。この構成でも、過熱水蒸気４３によって、溶液ミスト７２からの水の蒸発を抑制しながら、溶液ミスト７２を加熱することができる。この場合、過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の合流位置（すなわち、混合流路４５の上流端）において、Ｔ４３＜５３０Ｇ４３ －０．１５の関係を満たされるように過熱水蒸気４３の温度Ｔ４３と質量速度Ｇ４３を設定することで、溶液ミスト７２からの水の蒸発をより効果的に抑制できる。
図４に示す実施例２の成膜装置では、過熱水蒸気発生装置８０が、液体材料気化システム９０とリフィルシステム９２によって構成されている。実施例２の成膜装置のその他の構成は、図３の成膜装置と等しい。リフィルシステム９２は、液体材料気化システム９０に水を供給する。液体材料気化システム９０は、リフィルシステム９２から供給された水に対して、加熱処理と減圧処理を順に実行する。加熱処理では、液体材料気化システム９０は、大気圧よりも高い気圧Ｐ１下において水を加熱する。ここでは、液体材料気化システム９０は、沸点よりも低い温度まで水を加熱する。減圧処理では、液体材料気化システム９０は、水に加わる気圧を気圧Ｐ１から気圧Ｐ２まで低下させる。すると、水の沸点が水の温度よりも低い温度まで低下する。すなわち、水の温度が沸点よりも高い状態となる。したがって、水が急速に蒸発し、過熱水蒸気４３が発生する。
例えば、加熱処理では、水の沸点が約１３０℃となる気圧Ｐ１を水に印加した状態で、水を１００℃よりも高いとともに沸点（すなわち、約１３０℃）よりも低い１２０℃まで加熱することができる。その後、水を大気圧と略等しい気圧Ｐ２の下へ移送すると、水の沸点が約１００℃まで低下する。すると、水の温度（約１２０℃）が沸点（約１００℃）よりも高くなるので、水が急速に蒸発する。その結果、沸点（約１００℃）よりも高い温度の過熱水蒸気４３が発生する。
このように、減圧によって水の沸点を低下させる方法によれば、単純に水を加熱する方法よりも、過熱水蒸気４３を急速に発生させることができる。
液体材料気化システム９０で生成された過熱水蒸気４３は、過熱水蒸気供給路４２を介して混合流路４５へ送られる。また、ミスト発生槽２０で発生した溶液ミスト７２は、溶液ミスト供給路２４を介して混合流路４５へ送られる。混合流路４５内で、過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２が混合され、混合体７３がノズル３０から基板１２の上面に向かって吐出される。したがって、図３の成膜装置と同様に、基板１２の上面に効率的に膜を成長させることができる。
図４のように混合流路４５内で過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２が混合される構成では、過熱水蒸気４３による溶液ミスト７２の加熱時間が長いので、溶液ミスト７２を均一に加熱することができる。他方、加熱時間が長いと、溶液ミスト７２から水が蒸発して溶液ミスト７２を構成する溶液２１の濃度が変化し易い。実施例２では、１５０℃未満の過熱水蒸気４３を用いると、溶液ミスト７２に凝集する水分子の数と溶液ミスト７２から蒸発する水分子の数がバランスし易く、溶液ミスト７２を構成する溶液２１の濃度の変化を抑制できる。
なお、実施例２において、図１と同様に、過熱水蒸気供給路４２と溶液ミスト供給路２４が分離されていてもよい。
図５は、実施例３の成膜装置を示している。実施例３では、ノズル３０に過熱水蒸気４３と溶液ミスト７２の混合体７３が供給される。ノズル３０は、一方向に長い直方体の形状を有している。ノズル３０の下面に、一列に並ぶ複数の吐出口３０ａが形成されている。ノズル３０は、各吐出口３０ａからサセプタ１６に向かって混合体７３を吐出する。また、実施例３では、サセプタ１６上に複数の基板１２を載置することができる。基板１２は、サセプタ１６の中心軸１６ａの周りに配置されている。矢印８１に示すように、ノズル３０から下方向に吐出された混合体７３は、サセプタ１６の直径方向全体に当たることができる。サセプタ１６は、中心軸１６ａの周りに回転する。また、実施例３では、成膜炉１５の排気口に排気ポンプ９８が設置されている。排気ポンプ９８が作動することによって、成膜炉１５内が減圧される。すなわち、実施例３では、成膜炉１５内の気圧が大気圧未満である。
ノズル３０から混合体７３を吐出しながらサセプタ１６を回転させると、基板１２の上面に沿って混合体７３が層状に流れる。したがって、各基板１２の上面に酸化ガリウム膜を均一に成長させることができる。
また、実施例３では、成膜炉１５内の気圧が大気圧よりも低いので、成膜炉１５内の水の沸点が１００℃未満である。例えば、成膜炉１５内の水の沸点が約８０℃となるように成膜炉１５内の気圧を制御することができる。また、実施例３では、ノズル３０から成膜炉１５内に供給される過熱水蒸気４３の温度が、成膜炉１５内における水の沸点より高く、１００℃よりも低い。例えば、成膜炉１５内に供給される過熱水蒸気４３の温度を、約９０℃とすることができる。このように、１００℃よりも低い温度を有する水蒸気であっても、減圧雰囲気中においては過熱水蒸気となる。この構成でも、過熱水蒸気４３によって、溶液ミスト７２から水の蒸発を抑制しながら溶液ミスト７２を加熱することができる。したがって、好適に膜をエピタキシャル成長させることができる。
なお、実施例３と同様にして、実施例１、２において過熱水蒸気４３が流れる流路の気圧を大気圧未満としてもよい。この場合、過熱水蒸気４３の温度を１００℃未満とすることができる。
なお、上述した各実施例では、溶液２１の溶媒が水であったが、水以外の液体を溶媒として用いてもよい。この場合、溶媒と同じ材料の過熱蒸気によって溶液ミストを加熱することができる。
また、上述した各実施例では、基板の上面に酸化ガリウム膜をエピタキシャル成長させたが、他の膜をエピタキシャル成長させてもよい。また、エピタキシャル成長以外の成長方法で膜を成長させてもよい。
各実施例のサセプタ１６は、ステージの一例である。各実施例のミスト発生槽２０は、ミスト供給源の一例である。各実施例の過熱水蒸気発生装置８０は、過熱蒸気供給源の一例である。各実施例の過熱水蒸気供給路４２、溶液ミスト供給路２４、混合流路４５は、送出装置の一例である。各実施例の溶液ミスト供給路２４は、第１流路の一例である。各実施例の過熱水蒸気供給路４２は、第２流路の一例である。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
１２：基板、１５：成膜炉、１６：サセプタ、２０：ミスト発生槽、４０：加熱炉、４３：過熱水蒸気、６０：水貯留槽、７２：溶液ミスト、８０：過熱水蒸気発生装置

Claims (11)

  1. 成膜装置であって、
    基板（１２）を載置するステージ（１６）と、
    前記基板を加熱するヒータ（１４）と、
    溶媒に膜材料が溶解した溶液（２１）のミスト（７２）を供給するミスト供給源（２０）と、
    前記溶媒と同じ材料の過熱蒸気（４３）を供給する過熱蒸気供給源（８０）と、
    前記ミストと前記過熱蒸気を前記基板の表面に向かって送出する送出装置、
    を有し、
    前記基板の前記表面に前記膜材料を含む膜を成長させる成膜装置。
  2. 前記基板の前記表面に前記膜をエピタキシャル成長させる、請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記溶媒が、Ｈ２Ｏであり、
    前記過熱蒸気が、過熱水蒸気である、
    請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記ミストと前記過熱水蒸気の合流位置における前記過熱水蒸気の質量速度Ｇと、前記合流位置における前記過熱水蒸気の温度Ｔが、
    Ｔ＜５３０Ｇ－０．１５
    の関係を満たす、請求項３に記載の成膜装置。
  5. 前記過熱水蒸気の温度が１７５℃未満である、請求項３または４に記載の成膜装置。
  6. 前記過熱水蒸気の温度が１５０℃未満である、請求項３～５のいずれか一項に記載の成膜装置。
  7. 前記過熱水蒸気が流れる流路内の気圧が大気圧未満であり、
    前記過熱水蒸気の温度が１００℃未満である、
    請求項３に記載の成膜装置。
  8. 前記送出装置が、前記ミストと前記過熱蒸気の混合体が流れる混合流路（４５）を有しており、
    前記混合体が、前記混合流路を通って前記基板の前記表面に送出される、
    請求項１～７のいずれか一項に記載の成膜装置。
  9. 前記送出装置が、第１流路（２４）と、前記第１流路から分離されている第２流路（４２）を有しており、
    前記ミストが、前記第１流路を通って前記基板の前記表面に送出され、
    前記過熱蒸気が、前記第２流路を通って前記基板の前記表面に送出される、
    請求項１～７のいずれか一項に記載の成膜装置。
  10. 前記過熱蒸気供給源が、前記溶媒と同じ材料によって構成された液体材料を前記液体材料の沸点よりも低い第１温度まで加熱し、その後、前記液体材料を減圧することによって前記液体材料の前記沸点を前記第１温度よりも低い温度まで低下させることによって前記過熱蒸気を発生させる、請求項１～９のいずれか一項に記載の成膜装置。
  11. 成膜装置を用いて半導体装置を製造する製造方法であって、
    前記成膜装置が、
    基板を載置するステージと、
    前記基板を加熱するヒータと、
    溶媒に膜材料が溶解した溶液のミストを供給するミスト供給源と、
    前記溶媒と同じ材料の過熱蒸気を供給する過熱蒸気供給源と、
    前記ミストと前記過熱蒸気を送出する送出装置、
    を有し、
    前記送出装置から前記基板の表面に向かって前記ミストと前記過熱蒸気を送出することによって、前記基板の前記表面に前記膜材料を含む膜を成長させる工程、を有する製造方法。
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