JP2867946B2 - 気相成長装置 - Google Patents

気相成長装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置に関
し、特に均一で急峻な界面を有する多層結晶膜や高純度
結晶層を半導体基板表面に形成する際に用いて好適な気
相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の気相成長装置において、半導体基
板表面に多層結晶膜や高純度結晶層を形成する際には、
結晶界面の均一性や組成の急峻な切り換え性が半導体デ
バイス特性を大きく左右するため、それらを向上させる
ために様々な工夫がなされてきた。この種の気相成長装
置の一例を以下、説明する。
【０００３】図８は、従来の気相成長装置における反応
管前段の配管構成を示す図である。この図に示すよう
に、本装置の場合、多層結晶膜を形成するために例えば
２種類の原料ガス、の供給源１、２と流量調整用の
補償ガス供給源３が設けられている。そして、実際の結
晶成長に用いる原料ガスを主キャリアガスと混合して反
応管（図示略）に導入するための反応管ライン４と、結
晶成長に用いない原料ガスを副キャリアガスとともに排
気装置（図示略）に導入するためのベントライン５が設
けられている。反応管ライン４上の原料ガス導入口、
より上流側には流量制御器６および圧力計７が設置さ
れている。また、ベントライン５上の原料ガス導入口
’、’より上流側には圧力制御器８および圧力計９
が設置され、圧力制御器８および圧力計７、９によって
自動圧力制御器が構成されている。そして、圧力計９が
検出した配管内圧力を圧力制御器８にフィードバックす
ることによってベントライン５の圧力を制御する構成に
なっている。なお、符号１０〜１５はバルブである。
【０００４】そこで、多層結晶膜の気相成長を行う際に
は、各バルブの操作により、まず、最初の結晶成長に用
いる原料ガスを反応管ライン４に流し、最初の結晶成
長に用いない原料ガスをベントライン５に排気する。
次に、結晶組成の切り換えを行う時、すなわち反応管に
導入する原料ガスをからに切り換える時には、原料
ガスをベントライン５に排気し、原料ガスを反応管
ライン４に導入する。また、ガスの切り換え時には各ラ
イン４、５の流量を一定に保つために原料ガスの代わり
に補償ガスを流すことによって、各ライン４、５の総流
量を一定に保ち圧力変動を最小に抑えている。この際、
自動圧力制御器の作用でベントライン５と反応管ライン
４の間の圧力差を零または任意値とすることによって、
原料ガスの切り換えを急峻に行い、反応管に導入するガ
スの組成を制御する構成となっている。
【０００５】また、特開平１−２３９８３９号公報に
は、図１０に示すように、ベントラインと反応管ライン
の間の圧力差を零にするとともに、デッドスペースが極
力ないようにし、同時に反応管ラインの長さを極力短く
すること、切換バルブ１７の直後に流量制御器１８を配
置し、両者を一体成形すること等により、ガスの高速切
換性を向上させた有機金属気相成長装置が開示されてい
る。さらに、特開昭６２−５１２０９号公報には、図１
１に示すように、各原料ガスラインごとに反応管ライン
２０とベントライン２１を持たせることによって原料ガ
スの切り換えを高速に行うことのできる気相成長装置が
開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の気相成長装置では、各ラインを流れる原料ガスおよ
びキャリアガスの混合比の違いによって反応管ラインと
ベントラインの原料ガス導入口で圧力差が生じるため、
自動圧力制御器による圧力制御を行ったとしても、各原
料ガス導入口１箇所のみで圧力差が零になるようにしか
設定することができない。図９は、図８に示した配管系
において各ライン４、５における配管位置と配管内圧力
の関係を示す図である。まず最初に、図９（ａ）に示す
ように、圧力制御器が原料ガスの反応管ラインへの導
入口位置とベントラインへの導入口位置’での配管
内圧力が一致する（圧力差が零になる）ように制御を行
った状態で、反応管ラインとベントラインとの間で原料
ガスの切り換えを行う。ところが次に、図９（ｂ）に示
すように、原料ガスを反応管ラインに導入する際に各
ラインを流れるガス種を完全に一致させることが困難で
あるため、原料ガス種の違いによって生じる配管内の圧
力勾配の違いに起因して、原料ガスの反応管ラインへ
の導入口位置とベントラインへの導入口位置’での
配管内圧力を一致させる（圧力差を零にする）ことがで
きない。
【０００７】上記の理由から、原料ガスを反応管ライン
およびベントラインの間で切り換えるとき、原料ガスの
導入口での圧力差を完全に零にすることができない。そ
のため、切り換え時に圧力の高いラインと圧力の低いラ
インの間で原料ガスの吸い込み、吐き出しが生じるのを
完全に抑えることができない。例えば、反応管ラインの
導入口での圧力がベントラインの導入口での圧力より低
い場合、ベントラインに排気されるべき不要な原料ガス
が圧力差によって反応管ラインに吸い込まれ、反応管に
導入されるガスの組成を完全に制御することができなく
なる。したがって、従来の装置では、これらが原料ガス
の切換特性、すなわち混合比制御性に悪影響を及ぼした
り、また、膜を形成する上では結晶層の界面急峻性に悪
影響を及ぼす、という問題があった。
【０００８】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、原料ガスの切換特性を向上させ、
結晶界面の均一性や急峻性に優れた膜を形成することの
できる気相成長装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の気相成長装置は、複数種の原料ガス供給
源を有し、原料ガスを反応管内に導入するための配管で
ある反応管ラインと、原料ガスを排気するための配管で
あるベントラインとが設けられた気相成長装置におい
て、反応管ライン上およびベントライン上における各原
料ガス供給源からの原料ガスの導入口より上流側に設置
され、反応管ラインとベントラインの間の配管内圧力差
を検出する圧力差検出手段と、反応管ライン上とベント
ライン上との原料ガス導入口位置での圧力差が零または
任意値になるような圧力差検出手段の設置位置での圧力
差を演算、記憶し外部に出力する演算記憶手段と、反応
管ライン上またはベントライン上に設置され、反応管ラ
インとベントラインとの間で原料ガスを切り替える際に
圧力差検出手段の設置位置での圧力差が演算記憶手段か
ら出力された圧力差値になるようにその配管内の圧力を
制御する圧力制御手段、を有することを特徴とするもの
である。
【００１０】また、前記圧力差検出手段の形態として
は、反応管ラインおよびベントラインにそれぞれ設置さ
れた圧力計、もしくは、反応管ラインとベントラインと
の間に設置された差圧計から構成することができる。ま
た、前記圧力制御手段を、反応管ライン上またはベント
ライン上における各原料ガス供給源からの原料ガスの導
入口より上流側、下流側のいずれに設置してもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
１および図２を参照して説明する。図１は、本実施の形
態の気相成長装置における反応管前段の配管構成を示す
図、図２は、図１に示した配管系において各ラインにお
ける配管位置と配管内圧力の関係を示す図である。な
お、図１において、従来の装置として示した図８と同一
の構成要素には同一の符号を付す。
【００１２】図１に示すように、本装置の場合、多層結
晶膜を形成するために例えば２種類の原料ガス、の
供給源１、２と流量調整用の補償ガス供給源３が設けら
れている。そして、実際の結晶成長に用いる原料ガスを
主キャリアガスと混合して反応管（図示略）に導入する
ための反応管ライン４と、結晶成長に用いない原料ガス
を副キャリアガスとともに排気装置（図示略）に導入す
るためのベントライン５が設けられている。反応管ライ
ン４上の原料ガス導入口、より上流側には流量制御
器６および圧力計７（圧力差検出手段）が設置されてい
る。また、ベントライン５上の原料ガス導入口’、
’より上流側には圧力制御器８（圧力制御手段）およ
び圧力計９（圧力差検出手段）が設置され、これら圧力
制御器８、圧力計９の間には演算記憶回路２３（演算記
憶手段）が設置されている。そして、圧力制御器８、圧
力計７、９、演算記憶回路２３によって自動圧力制御器
が構成されている。なお、符号１０〜１５はバルブであ
る。
【００１３】そこで、多層結晶膜の気相成長を行う際に
は、各バルブの操作により、まず、最初の結晶成長に用
いる原料ガスを反応管ライン４に流し、最初の結晶成
長に用いない原料ガスをベントライン５に排気する。
次に、結晶組成の切り換えを行うとき、すなわち原料ガ
スをからに切り換えるときには、原料ガスの流れ
を反応管ライン４からベントライン５に切り換える。こ
の時、各圧力計７、９が各ライン４、５の圧力を検出
し、図２（ａ）に示すように、この検出値に基づいて得
られるライン４、５間の圧力差が原料ガスの反応管ラ
イン４への導入口位置とベントライン５への導入口位
置’で零になるように、圧力制御器８がベントライン
５の圧力を制御する。
【００１４】一方、原料ガスの流れをベントライン５
から反応管ライン４に切り換える。この際には、図２
（ｂ）に示すように、演算記憶回路２３が、各ライン
４、５の圧力勾配に基づいて原料ガスの反応管ライン
４への導入口位置とベントライン５への導入口位置
’における圧力差が零になるような圧力計７、９の設
置位置での圧力差を予め演算し、記憶しておく。そし
て、演算記憶回路２３がその値を圧力制御器８に出力
し、圧力制御器８がその値を受けて圧力計７、９の位置
で前記圧力差を故意に生じさせるようにベントライン５
の圧力を制御することにより、結果的に原料ガスの反
応管ライン４への導入口位置とベントライン５への導
入口位置’での圧力差が零になる。以上の作用によ
り、原料ガス、をいずれのラインに切り換える際に
も吸い込みや吐き出しが生じることがなく、原料ガスの
切換を急峻に行うことができる。したがって、本装置に
よれば、結晶界面の均一性や急峻性に優れた膜を形成す
ることができる。
【００１５】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば圧力制御器をベントライン側に設置する構成に代え
て、図３に示すように、圧力制御器８を反応管ライン４
側に設置して反応管ライン４の圧力を制御することによ
り、原料ガス導入口位置での反応管ライン４とベントラ
イン５間の圧力差を零とする構成としてもよい。また、
ライン間の圧力差を検知する手段として各ラインにそれ
ぞれ圧力計を設置する構成に代えて、図４に示すよう
に、反応管ライン４とベントライン５の間に差圧計２４
（圧力差検出手段）を設置して、差圧計２４が検出した
圧力差を圧力制御器８にフィードバックする構成として
もよい。
【００１６】さらに、図５に示すように、圧力制御器２
５をベントライン５上の原料ガス導入口’より下流側
に設置し、原料ガス導入口’の上流側に設置した圧力
計９から圧力差のフィードバックを行うことによって制
御を行ったり、逆に、図６に示すように、圧力制御器２
５を反応管ライン４上の原料ガス導入口より下流側に
設置し、原料ガス導入口の上流側に設置した圧力計７
から圧力差のフィードバックを行うことによって制御を
行ってもよい。また、図７に示すように、原料ガスの種
類が２種類以上ある場合にも、各原料ガス導入口で生じ
る圧力差をそれぞれ演算記憶回路２３に入力しておき、
演算記憶回路２３が原料ガス導入口での圧力差が零にな
るようなそれぞれの圧力差値を演算、記憶し、原料ガス
を切り換える時には、圧力制御器８が前記圧力差を圧力
計位置で故意に生じさせる構成とすることができる。こ
れにより、原料ガス導入口での吸い込み、吐き出しを抑
えることができ、原料ガスの切換を急峻に行うことがで
きる。
【００１７】そして、上記実施の形態では、原料ガス導
入口位置での圧力差が零になるような圧力計位置での圧
力差を演算記憶回路が演算、記憶する例を説明したが、
原料ガス導入口位置での圧力差が必ずしも零に限らず、
許容範囲内の任意の値になるような圧力計位置での圧力
差を演算記憶回路が演算、記憶する構成とすることも可
能である。
【００１８】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
気相成長装置によれば、各原料ガスの導入口位置での反
応管ラインとベントラインの間の圧力差を零または任意
値にすることができるので、原料ガス切り換え時に圧力
の高いラインと圧力の低いラインの間で生じる原料ガス
の吸い込み、吐き出しを防止することができ、ガスの混
合比を精度良く制御することで極めて急峻な結晶層界面
を有する多層結晶膜や高純度結晶層を形成することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である気相成長装置にお
ける反応管前段の配管構成を示す図である。
【図２】図１に示した配管系において各ラインにおける
配管位置と配管内圧力の関係を示す図である。
【図３】本発明の気相成長装置の他の実施の形態を示す
図である。
【図４】本発明の気相成長装置の他の実施の形態を示す
図である。
【図５】本発明の気相成長装置の他の実施の形態を示す
図である。
【図６】本発明の気相成長装置の他の実施の形態を示す
図である。
【図７】本発明の気相成長装置の他の実施の形態を示す
図である。
【図８】従来の気相成長装置における反応管前段の配管
構成を示す図である。
【図９】図８に示した配管系において各ラインにおける
配管位置と配管内圧力の関係を示す図である。
【図１０】従来の他の気相成長装置の配管構成を示す図
である。
【図１１】従来の他の気相成長装置の配管構成を示す図
である。
【符号の説明】
１，２，２６，２７ 原料ガス供給源 ３ 補償ガス供給源 ４ 反応管ライン ５ ベントライン ６ 流量制御器 ７，９ 圧力計（圧力差検出手段） ８，２５ 圧力制御器（圧力制御手段） １０〜１５，２８〜３１ バルブ ２３ 演算記憶回路（演算記憶手段） ２４ 差圧計（圧力差検出手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/205

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数種の原料ガス供給源を有し、原料ガ
    スを反応管内に導入するための配管である反応管ライン
    と、原料ガスを排気するための配管であるベントライン
    とが設けられた気相成長装置において、 前記反応管ライン上および前記ベントライン上における
    前記各原料ガス供給源からの原料ガスの導入口より上流
    側に設置され、前記反応管ラインと前記ベントラインの
    間の配管内圧力差を検出する圧力差検出手段と、前記反応管ライン上と前記ベントライン上との 原料ガス
    導入口位置での圧力差が零または任意値になるような前
    記圧力差検出手段の設置位置での圧力差を演算、記憶し
    外部に出力する演算記憶手段と、 前記反応管ライン上または前記ベントライン上に設置さ
    れ、反応管ラインとベントラインとの間で原料ガスを切
    り替える際に前記圧力差検出手段の設置位置での圧力差
    が前記演算記憶手段から出力された圧力差値になるよう
    にその配管内の圧力を制御する圧力制御手段、を有する
    ことを特徴とする気相成長装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の気相成長装置におい
    て、 前記圧力差検出手段が、前記反応管ラインおよび前記ベ
    ントラインにそれぞれ設置された圧力計から構成された
    ことを特徴とする気相成長装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の気相成長装置におい
    て、 前記圧力差検出手段が、前記反応管ラインと前記ベント
    ラインとの間に設置された差圧計から構成されたことを
    特徴とする気相成長装置。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の気
    相成長装置において、前記圧力制御手段が、前記反応管
    ライン上または前記ベントライン上における各原料ガス
    供給源からの原料ガスの導入口より上流側に設置された
    ことを特徴とする気相成長装置。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の気
    相成長装置において、前記圧力制御手段が、前記反応管
    ライン上または前記ベントライン上における各原料ガス
    供給源からの原料ガスの導入口より下流側に設置された
    ことを特徴とする気相成長装置。
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