JP2611008B2 - 有機金属化合物の気化供給装置 - Google Patents

有機金属化合物の気化供給装置

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【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により化
合物半導体のエピタキシャル薄膜を製造する場合に、そ
の原料として用いられる有機金属化合物の気化供給装置
に関するものである。
【従来の技術】 近年、化合物半導体の結晶成長法として、有機金属化
合物を用いたMOCVD法が注目を集め、盛んに研究されて
いる。MOCVD法とは、例えば(CH33Ga、(CH33Alな
どの有機金属化合物を原料とし、その熱分解反応を利用
して薄膜の結晶成長を行なう方法である。この方法は大
面積な薄膜を均一に形成可能で、膜厚や組成比などの制
御性や量産性が優れている。 MOCVD法において、例えばIII−V族化合物半導体薄膜
を成長させる場合、III族原料として(CH33Gaや(C
H33Inなどの有機金属化合物を用い、V族原料としてA
sH3やPH3等の水素化物を用いる。 有機金属化合物を結晶成長炉内へ供給する方法として
は、有機金属化合物中にH2等のキャリアガスを導入して
発泡(バブリング)によって接触させ、所定の温度にお
ける有機金属化合物の飽和蒸気を結晶成長炉内に導入し
ている。 第4図に、この種のキャリアガスを用いた従来の気化
供給装置を示す。同図において1はキャリアガス(例え
ばH2)の容器、2は減圧弁、3はキャリアガスの質量流
量を制御するマスフローコントローラ、4は有機金属化
合物、5はシリンダ容器で有機金属化合物4を充填して
ある。6は恒温槽、7は入口用バルブ、8は導入管(デ
ィップチューブ)であり、キャリアガスをシリンダ容器
5内の下方に導入する。9は出口用バルブ、10はニード
ルバルブで、結晶成長を減圧下で行なう場合に、シリン
ダ容器5の入口及び出口付近における気体の圧力を1気
圧近傍に保つ。11は結晶成長を行なう結晶成長炉で、12
はヒータ、13は基板、14は真空ポンプ、15は減圧度調整
用バルブである。 この装置は以下のように使用する。先ず恒温槽6の温
度を正確に制御して有機金属化合物4の蒸気圧を決め
る。次にマスフローコントローラ3で正確に制御したキ
ャリアガスをバルブ7を開いてシリンダ容器5内に導入
し、バルブ9を開き所望の濃度の有機金属化合物を含む
キャリアガスを結晶成長炉11内に導入する。結晶成長炉
11内は真空ポンプ14で減圧され、その内部には導入管16
よりV族の水素化物が予め導入されているため、基板13
に化合物半導体のエピタキシャル薄膜が形成されてゆ
く。
【発明が解決しようとする課題】
上記の装置を用いて化合物半導体のエピタキシャル成
長を行なうと、得られたエピタキシャル膜の組成比が設
定値から外れたり、膜の電気的性質が不均質になるとい
う問題があった。この場合、その結晶から得られた半導
体は特性がばらついてしまう。 これらの問題には下記の理由が考えられる。 エピタキシャル原料である有機金属化合物の供給量制
御をキャリアガス流量と温度という二次関数によりとり
行なっているため、高精度な流量制御が難しい。 供給される有機金属化合物の流量を直接計測して制御
する手段がないため、供給量の変動を検知して制御する
ことができない。 供給量を設定するうえで重要な指針となる有機金属化
合物の蒸気圧曲線図が、同一物質に対して多数存在する
ことが多く、どれが正確な図であるかわからず、目的と
する供給量を得るのに必要な温度を正確に決めることが
できない。 また、目的とする膜厚や組成を得るためにはガスの供
給、停止を迅速に行なうことが必要である。しかし、こ
の装置ではそれらを迅速に行なうことができず、結晶界
面の急峻性が得られていない。仮にガスの供給や停止が
迅速に行なえた場合でも、配管の内部に有機金属化合物
の蒸気やそれを含むキャリアガスが滞留し、基板13上の
結晶がそれらの影響を受けることがある。特に、有機金
属化合物ガスの供給量が微量な場合は影響を受け易い。
さらに、ギャリアガスの温度が低い場合、この装置では
混合ガスの温度が下がってしまい有機金属化合物が配管
内に凝縮して好適に輸送されないという問題も生じてい
る。 本発明は前記課題を解決するためになされたもので、
有機金属化合物ガスの流量が極く僅かな場合でも定量的
な供給ができる有機金属化合物の気化供給装置を提供す
ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための本発明の有機金属化合物
の気化供給装置を、その実施例に対応する図面を用いて
説明する。 本発明の第1発明の有機金属化合物の気化供給装置
は、第1図に示すように、有機金属化合物26が充填が充
填され、キャリアガスから遮断された容器20からメイン
バルブ21を経て原料ガス用マスフローコントローラ22へ
接続され、原料ガス用マスフローコントローラ22から原
料ガス供給バルブ23を経て加熱減圧下の結晶成長炉11に
接続された有機金属化合物ガスの経路と、キャリアガス
源からキャリアガス用マスフローコントローラ28および
熱交換器29を経て原料ガス供給バルブ23の排出側の接続
部32に接続するキャリアガス経路とを有し、容器20、そ
の容器20から結晶成長炉11へ至る有機金属化合物ガスの
経路、キャリアガス用マスフローコントローラ28および
熱交換器29が単一の恒温槽24の内部に配置されている。 第2発明の有機金属化合物の気化供給装置は、第1発
明の原料ガス用マスフローコントローラ22の排出側に位
置する原料ガス供給バルブ23と、熱交換器29の排出側に
位置するキャリアガスバルブ31とが一体化されたブロッ
クバルブ35であり、そのブロックバルブ35が原料ガス用
マスフローコントローラ22の排出側に直結されている
(第2図参照)。 第3発明の有機金属化合物の気化供給装置は、第3図
に示すように、第1発明および第2発明の熱交換器29に
加熱手段37が付設してある。
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。 第1図は本発明を適用する有機金属化合物の気化供給
装置の概略図である。同図に示すように、有機金属化合
物26を入れたシリンダ容器20は空気作動式バルブ21を介
してマスフローコントローラ22に接続される。マスフロ
ーコントローラ22は、空気作動式の原料ガス供給バルブ
23を介して結晶成長炉11に接続される。結晶成長炉11に
は減圧度調整用バルブ15を介して真空ポンプ14が接続さ
れている。結晶成長炉11はヒータ12で加熱される構造で
あるとともに、V族ガスなどを導入する導入管16が設け
てある。 熱分解促進用のキャリアガス、例えば水素ガスは、バ
ルブ30、キャリアガス用マスフローコントローラ28、熱
交換器29およびキャリアガスバルブ31を順に経てバルブ
23の排出側の接続部分32において接続されている。上記
の各接続は導管によりなされ、密閉系を形成している。
シリンダ容器20をはじめ、マスフローコントローラ22・
28、熱交換器29、バルブ21・23・30・31および接続部分
32は空気恒温槽24に収容してある。マスフローコントロ
ーラ22は、微小流量を検知して流量調節用バルブの応答
速度が速いもので、できるだけ低差圧で作動するものを
使用する。 この装置は以下のように動作させる。 先ず、結晶成長炉11に基板13を装着し、ヒータ12によ
り所定の温度に加熱するとともに真空ポンプ14で系内を
減圧する。バルブ30および31を開弁して所定量のキャリ
アガスを流し、減圧度調整用バルブ15を調整して結晶成
長炉11内の減圧度を一定にしておく。キャリアガスの流
量は、配管内における有機金属化合物ガスの滞留時間を
最少にするためにできるだけ大量に流すべきであるが、
一般的には10〜300ml/分程度である。 空気恒温槽24を一定温度に昇温するとシリンダ容器20
内の有機金属化合物26の蒸気圧が上昇して気化をはじめ
る。恒温槽24の設定温度は、マスフローコントローラ22
・28やバルブ類の耐熱性および有機金属化合物の蒸気圧
特性や熱分解特性等により一義的には決められないが、
蒸気圧を可能な限り高くすることができ、有機金属化合
物に十分な気化熱を絶えず供給できる温度である50〜80
℃に設定する。 ここで不図示の動作源から空気作動式のメインバルブ
21および原料供給バルブ23に送気して開弁する。すると
気体化した有機金属化合物26は、バルブ21を経てマスフ
ローコントローラ22に導入され、質量流量が直接計量さ
れて一定値に調整された後、バルブ23を経て結晶成長炉
11内に供給される。一方、キャリアガスバルブ31から
は、キャリアガス用マスフローコントローラ28により定
量され、熱交換器29によって十分加熱されたキャリアガ
スが絶えず供給される。その量は有機金属化合物26のガ
ス量に対して数百倍であるため、有機金属化合物26は遅
延時間なく一定濃度のまま結晶成長炉11に供給される。
キャリアガスは、キャリアガス用マスフローコントロー
ラ28を含むガスの経路が空気恒温槽24に収容してあるた
め、極めて効率良く加熱されている。 このようにして結晶成長炉11内の基板13に化合物半導
体のエピタキシャル薄膜が形成されてゆく。所定の膜厚
が得られたら、空気作動式供給停止バルブ23に送気して
閉弁し、有機金属化合物ガスの供給を停止する。 有機金属化合物26の流量が極く微量の場合、マスフロ
ーコントローラ22からバルブ23を経て接続部32に至る配
管の容積に比べ有機金属化合物ガスの量が少ないため、
ガスが配管内に不均一に拡散すると結晶成長炉11への供
給量が変動しやすくなる。その場合には、第2図に示す
ようにバルブ23と31を一体化したブロックバルブ35を用
い、かつそれをマスフローコントローラ22の出口側に直
結すれば良い。配管の容積が小さくなり、通過時間が短
縮されて供給量が安定する。 熱交換器29は、恒温槽24内の空気を熱源とし、キャリ
アガスに対して十分な熱量を与えることができるが、よ
り高温に加熱する場合には、第3図に示すように電熱ヒ
ータ37などを設けて個別に加熱しても良い。 なお、本発明の装置に用いるバルブ類は、耐熱性、耐
高真空性を備えた空気作動式あるいは手動式のものを使
用する。シリンダ容器20および配管類の材質は、有機金
属化合物を安全に保存、輸送するという観点から全ステ
ンレス製のものが良い。接ガス面には電解研磨処理を施
してあることが望ましい。
【発明の作用、効果】
以上詳細に説明したように本発明の有機金属化合物の
気化供給装置は、有機金属化合物が充填されている容器
から原料ガスが発生し、原料ガスの量が計量されるマス
フローコントローラまでの間、キャリアガスから遮断さ
れているので、原料ガス、すなわち有機金属化合物の供
給量を正確に計量することができる。そのため、容器内
で気化する有機金属化合物の量にかかわらず、常に一定
した有機金属化合物の量をマスフローコントローラで正
確に制御することが可能になり、厚膜から超薄膜まで、
組成のばらつきが極めて小さい半導体結晶の薄膜を製造
することができる。 しかもマスフローコントローラを含む有機金属化合物
ガスの経路およびキャリアガス経路が単一の恒温槽に収
容され、小型化されているため、有機金属化合物ガスや
それを含むキャリアガスの滞留が少なくなり、原料の供
給、停止を迅速に行なえ、得られる結晶界面の急峻性が
高い。また、ガスの温度制御が容易で、配管内における
原料の凝縮が皆無である。 これらの結果、その成長結晶から得られるデバイスの
コストも大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用する有機金属化合物の気化供給装
置の実施例を示す概略構成図、第2図および第3図は各
々本発明を適用する有機金属化合物の気化供給装置の実
施例の要部を示す概略構成図、第4図は従来の気化供給
装置の概略構成図である。 1……キャリアガス容器、2……減圧弁 3・22・28……マスフローコントローラ 4・26……有機金属化合物 5・20……シリンダ容器、6……恒温槽 7・9・21・23・30・31……バルブ 8……導入管、10……ニードルバルブ 11……結晶成長炉、12……ヒータ 13……基板、14……真空ポンプ 15……減圧度調整用バルブ 16……導入管、24……空気恒温槽 29……熱交換器、32……接続部 35……ブロックバルブ、37……電熱ヒータ
フロントページの続き (72)発明者 平原 和弘 新潟県中頚城郡頚城村大字西福島28番地 の1 信越化学工業株式会社合成技術研 究所内 (72)発明者 石原 俊信 新潟県中頚城郡頚城村大字西福島28番地 の1 信越化学工業株式会社合成技術研 究所内 (72)発明者 高屋 征輝 東京都千代田区大手町2丁目6番1号 信越化学工業株式会社本社内 (56)参考文献 実開 昭60−102251(JP,U)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】有機金属化合物が充填され、キャリアガス
    から遮断された容器からメインバルブを経て原料ガス用
    マスフローコントローラへ接続され、前記原料ガス用マ
    スフローコントローラから原料ガス供給バルブを経て加
    熱減圧下の結晶成長炉に接続された有機金属化合物ガス
    の経路と、キャリアガス源からキャリアガス用マスフロ
    ーコントローラおよび熱交換器を経て前記原料ガス供給
    バルブの排出側に接続するキャリアガス経路とを有し、 前記容器、その容器から結晶成長炉へ至る有機金属化合
    物ガスの経路、キャリアガス用マスフローコントローラ
    および熱交換器が恒温槽内に配置されていることを特徴
    とする有機金属化物の気化供給装置。
  2. 【請求項2】請求項第1項記載の原料ガス用マスフロー
    コントローラの排出側に位置する原料ガス供給バルブ
    と、熱交換器の排出側に位置するキャリアガスバルブと
    が一体化されたブロックバルブであり、該ブロックバル
    ブが前記原料ガス用マスフローコントローラの排出側に
    直結されていることを特徴とする有機金属化合物の気化
    供給装置。
  3. 【請求項3】請求項第1項または第2項記載の熱交換器
    に加熱手段が付設してあることを特徴とする有機金属化
    合物の気化供給装置。
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