JP3498617B2 - ガス導入管及びこれを用いた薄膜成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体の製
造に用いられるガス導入管及びこれを用いた薄膜成長装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオードやレーザーダイオード等
の発光デバイス又は電子デバイス等に用いられる化合物
半導体の薄膜成長装置には、液相成長装置、有機金属気
相成長装置、分子線エピタキシー装置等があり、その中
でも有機金属気相成長装置が広く利用されている。一般
的に用いられている横型の有機金属気相成長装置は、図
１１に示すように、石英製の反応炉５６と、基板５８を
加熱するヒーター５７を備える基板保持体５４と、反応
炉５６に原料ガスを供給するためのガス導入管５５を備
え、このガス導入管５５に導入される原料ガスを内包す
るボンベ５３や原料の有機金属化合物を内包するシリン
ダー５１ａ、５１ｂのガス系を備えている。この装置の
特徴は、反応炉５６内の基板保持体５４に成長面がほぼ
水平になるように保持された基板５８に対し、横方向か
ら原料ガスを導入する横型の反応炉５６を有することで
ある。

【０００３】このような構成において、まず、有機金属
化合物を内包するシリンダー５１ａ、５１ｂ内に水素５
２ｂが運ばれ、水素５２ｂのバブリングによって気化さ
れた原料ガスおよびボンベ５３の原料ガスは、反応炉５
６に備えられたガス導入管５５を通じて基板５８に供給
される。

【０００４】ここで、ガス導入管５５は、中空体の一端
部に備えたガスの導入口から他端部に備えた放出口に至
るガス通路が１層あるいは複数層に積層されたものであ
る。これにより、１層あるいは複数層の偏平な層流とな
ったガスを基板５８表面に流すことができ、基板５８表
面に均一性のよい半導体薄膜を形成することができる。
その一例として、図１２に２層のガス通路を有するガス
導入管５５および反応炉５６の側面断面図を示す。ガス
導入管５５は二つのそれぞれ独立したガス通路５５ａ−
１、５５ｂ−１を積層した構造を有しており、基板面を
取り囲む反応炉５６に対して平行に接続されている。

【０００５】図１３は図１２に示すガス導入管５５およ
び反応炉５６の平面断面図を示しており、ガス導入管５
５のガス導入路５５ａ、５５ｂのそれぞれの放出口５５
ａ−２，５５ｂ−２の開口幅は基板５８の外形に比較し
て十分に広げられている。この構造により、原料ガス導
入路５５ａ、５５ｂに導入された２系統の原料ガスＧ１
およびＧ２は、ガス通路５５ａ−１、５５ｂ−１内で扁
平に広げられ、２層に積層された層流として放出され
る。

【０００６】こうして、ガス導入管５５から反応炉５６
内に放出された原料ガスは、基板保持体５４に備わるヒ
ーター５７によって加熱された基板５８上まで速やかに
運ばれ、基板５８表面に均一性のよい半導体薄膜を成長
させる。

【０００７】なお、このガス導入管の例は、「３−５族
化合物半導体」（赤崎 勇 編著）、Ｐ．７２に掲示さ
れている。

【０００８】ところで、このような有機金属気相成長法
においては、ヒーター５７によって加熱されて高温とな
る基板に隣接してガス導入管５５が設置されるため、ヒ
ーター５７からの熱伝導または輻射によって加熱された
ガス導入管５５の材料中あるいは表面から気体が放出さ
れる、いわゆる脱ガスが起こりやすい。そのため、ガス
導入管５５の材料には脱ガスの少ない石英やステンレス
鋼が用いられている。

【０００９】石英製およびステンレス製のガス導入管
は、複数の独立したガス通路を形成するために図１４の
ような方法で作製されている。図１４は２層の放出口を
有するガス導入管の組立説明図である。図に示す（ａ）
および（ｂ）はいずれも上から順に平面図および側面図
と、放出口側からみた組立図であり、（ｃ）および
（ｄ）には放出口から見た組立図のみを示している。

【００１０】図１４を用いて、石英製のガス導入管の組
立方法について説明する。（ａ）に示す方法では、２層
のガス通路を仕切るための石英平板６１を２つの凹字型
の石英部品６０および６２で上下から挟み込み、融着部
６３ａ〜６３ｄを高温で融着することによりガス導入管
が作成される。（ｂ）に示す方法では、まず、凹字型の
石英部品６５の上に支持台６６を乗せ、その上に２層の
ガス通路を仕切るための石英平板６１を乗せた状態で融
着部６４ａおよび６４ｂを高温で融着する。次に、石英
平板６１上に支持台６８を乗せ、その上に石英平板６９
を乗せた状態で融着部６４ｃおよび６４ｄを高温で融着
する。あとは、支持台６６および６８を取り去ればよ
い。こうして、２層の放出口を持つ石英製のガス導入管
が作製される。また、３層以上のガス放出口を持つガス
導入管の場合は、図１４の（ｃ）に示すように凹字型の
石英部品６０を複数個重ねた上に石英平板６９を乗せる
か、（ｄ）に示すように凹字型の石英部品６５の上に支
持台６６と石英平板６１を交互に複数個重ねることによ
って作製される。

【００１１】なお、ステンレス製のガス導入管について
は、図１４の（ａ）〜（ｄ）の組立方法において、材料
を石英からステンレスに変えればよい。また、ステンレ
スの接合は電気溶接によって行われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】有機金属気相成長装置
において、基板上に均一性のよい薄膜を形成するために
は、基板面内で原料ガスがある一定の流速になるように
原料ガスの供給量を調整しなければならない。このと
き、ガス導入管の放出口の開口高さが低いほどガス導入
管内のガス通路の容積が小さくなるので、ある一定の流
速を得るための原料ガスの供給量は少なくなる。

【００１３】また、１層よりも複数層の放出口を持つガ
ス導入管に種類の異なる複数の原料ガスを分離して導入
する方が、気相反応を抑制でき、複数層で原料ガスの流
速を別々に制御できるため、より細かい面内分布の制御
が可能となる。更に、より少ない原料ガスで均一性のよ
い薄膜を形成するためには、各層の放出口の開口高さを
できるだけ低くすることが望ましい。

【００１４】図１４のように複数層の放出口を持つ場
合、各層のガス通路を仕切るための仕切板６１が必要と
なる。従来の石英製やステンレス製のガス導入管の作製
方法においては、石英よりなる仕切板の接合は高温での
融着によって行われ、ステンレスよりなる仕切板の接合
は高温での溶接によって行われるため、融着や溶接で接
合部の仕切り板または側壁が高熱によって変形したり、
仕切り板の接合位置がずれることがある。特に、複数の
仕切板の間隔を狭くしようとすると融着または溶接によ
る接合部の変形やずれがよりいっそう大きくなる。

【００１５】そして、このように接合部の変形やずれの
大きなガス導入管にガスを流した場合、放出口から放出
されたガスは基板面内で均一な層流にならないため、基
板上に均一性のよい薄膜が形成できなくなる。そこで、
現状の複数層の放出口を持つガス導入管では接合部の変
形やズレを減らすために仕切板の間隔、すなわち１層当
たりの放出口の開口高さを高くしている。そのため、ガ
ス導入管内のガス通路の容積が大きくなり、ある一定の
流速を得るための原料ガス供給量が多くなってしまう。
また、ガス放出口の開口高さが高いために複数層の均一
な層流が得られ難く、均一性のよい薄膜が形成されにく
い。

【００１６】また、図１５には２層のガス放出口５５ａ
−２，５５ｂ−２を有するガス導入管５５において、仕
切板５９ａ，５９ｂの厚みが異なる場合を示している。
（ａ）に示すように仕切板５９ａの厚みが薄い場合は、
２層のガスが放出口５５ａ−２，５５ｂ−２から放出さ
れる際に、基板面に対してほぼ平行な２層の層流が得ら
れるため、基板面内でガスの流速がほぼ一定となり、基
板５８上に均一性のよい薄膜を形成することができる。

【００１７】しかしながら、現状では石英製ガス導入管
の場合、高温での融着時の熱によって仕切板が変形する
ことを避けるために、仕切板の厚みを厚くしなければな
らない。また、ステンレス製ガス導入管の場合も、溶接
時の熱によって仕切板に穴が空くことを避けるために、
仕切板の厚みを厚くしている。この場合、図１５（ｂ）
に示すように２層のガスが放出口５５ａ−２，５５ｂ−
２から放出される際に、仕切板５９ｂの厚みの影響によ
って２層に重なった層流が乱されてしまう。このため、
基板面内でガスの流速が変化し、基板５８上に均一性の
よい薄膜が形成されにくくなってしまう。また、放出口
が３つ以上ある場合も同様の問題が生じる。

【００１８】そこで本発明は、仕切り板および側壁の変
形やズレが発生することなく複数層のガス放出口の開口
高さを十分低くし、かつ仕切り板を薄くすることができ
るガス導入管を提供することによって、少ない原料ガス
流量で十分扁平した複数層の層流を得て、基板面内で均
一性のよい半導体薄膜を得ること目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のガス導入管にお
いては、導入口から放出口に至るガス通路を複数層に積
層したガス導入管であって、複数のガス通路が金属製の
天板及び底板と、同天板及び底板の間に挟み込まれた金
属製の複数の側壁体と、側壁体に挟み込まれた金属製の
仕切板とに囲まれ形成される空間であることを特徴とし
たものである。

【００２０】このように、ガス導入管を金属製の天板、
底板、複数のガス通路となる空間を有する側壁体、及び
側壁体に挟み込まれた金属製の仕切板によって構成し、
複数のガス通路を形成すれば、側壁体の厚みを薄くする
ことができるため、ガス導入管の放出口の開口高さを従
来よりも低くすることができる。また、仕切り板の厚み
も従来よりも薄くすることができる。この場合、天板
と、側壁体と、仕切板と、底板とから構成される全体の
固定は、従来の高温での融着や溶接ではなく、金属製の
部品で行い、側壁部分の変形および仕切板の変形やズレ
をなくすことができる。このような構成のガス導入管で
あれば、少ない原料ガス流量で十分扁平した複数の層流
を得ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、中空体
の一端部に備えたガスの導入口から他端部に備えたガス
の放出口に至るガス通路を複数積層したガス導入管であ
って、前記複数のガス通路が、金属製の天板及び底板
と、同天板及び底板の間に挟み込まれた金属製の複数の
側壁体と、同側壁体の間に挟み込まれた金属製の仕切板
とに囲まれ形成される空間であることを特徴とするガス
導入管である。これにより、必要な数だけ側壁体を天板
及び底板の間に挟み込み、それぞれの側壁体の間に仕切
板を挟み込んで複数のガス通路が積層されたガス導入管
を得ることができる。このように複数の金属板を重ね合
わせることにより形成されるガス導入管は、高温での融
着や溶接ではなく、金属あるいは石英やカーボンなどの
部品を用いて固定することにより、側壁体の厚みを薄く
して放出口の開口高さを従来よりも低くでき、仕切板の
厚みも従来よりも薄くすることができる。

【００２２】請求項２に記載の発明は、前記側壁体の厚
みが、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
載のガス導入管であり、ガス導入管が金属平板を重ね合
わせる構造とすることにより、側壁体の厚みを従来より
も低い５ｍｍ以下としても変形することがなく、放出口
の開口高さを従来よりも低い５ｍｍ以下とすることがで
き、少ない原料ガス流量で十分扁平した複数層の層流を
得ることができる。もし、この開口高さが５ｍｍよりも
大きい場合は、ある一定の流速を得るために必要な原料
ガス供給量が多くなると共に、複数層の均一な層流が得
られ難くなる。

【００２３】請求項３に記載の発明は、前記仕切板の厚
みが、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１また
は２記載のガス導入管であり、仕切板の厚みを１ｍｍ以
下にすることで、仕切板を挟む上層側と下層側のそれぞ
れの放出口から放出されるガスが合流する際に、ガスの
流れへの仕切板の厚みの影響が少なくなり、より均一な
複数の層流が得られる。仕切板の厚みが１ｍｍよりも大
きい場合は、それぞれの放出口から放出されるガスが合
流する際に、仕切板の厚みの影響によって均一な層流が
乱されやすくなる。

【００２４】請求項４に記載の発明は、前記側壁体が、
複数の平板を同一面上に並べて形成したものか、あるい
は平板の一部を切り欠いて形成したものであることを特
徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス導入管
である。側壁体が複数の平板を同一面上に並べて形成し
たものであれば、これらの複数の平板間に形成される隙
間によりガス通路を簡単に構成することができる。ま
た、側壁体が平板の一部を切り欠いて形成したものであ
れば、この切り欠きの形状を変化させることによってガ
ス通路の形状を簡単に変化させることができる。

【００２５】請求項５に記載の発明は、前記天板、底
板、側壁体、および仕切板が、ステンレス鋼製である請
求項１から４のいずれかに記載のガス導入管としたもの
であり、ステンレス鋼を使用すれば、安価で加工性もよ
く、ヒーターからの熱伝導や輻射によってガス導入管の
温度が４００℃になっても薄膜成長時において、脱ガス
の影響を受けにくくなり、原料ガスを高純度のまま放出
口まで運ぶことができる。

【００２６】請求項６に記載の発明は、前記側壁体を挟
み込む面に、前記天板、底板、側壁体、および仕切板よ
りも硬度の低い材料からなる薄膜を挟み込むことを特徴
とする請求項１から５のいずれかに記載のガス導入管と
したものであり、ガス導入管を構成する金属製の天板、
底板、側壁体、および仕切板よりも硬度の低い柔らかい
材料からなる金属シートなどの金属薄膜等を金属板の間
に挟み込むことにより、この金属薄膜がシール材の役目
を果たし側壁体を挟み込む面に密着して隙間を詰めるこ
とができ、ガス通路からのガスの漏れやガス通路の外部
に存在するガスがガス通路へ浸入するのを防止すること
ができる。

【００２７】請求項７に記載の発明は、前記天板及び底
板によって挟み込んだものの全体を金属製の部品によっ
て固定したことを特徴とする請求項１から６のいずれか
に記載のガス導入管であり、高温での融着や溶接等で全
体を接合することなく金属製のビスやくさび等の部品を
用いて固定することにより、側壁部分の変形および仕切
り板の変形やズレをなくすことができ、これらの部品を
取り外すだけでガス導入管の組立や分解が自由にでき
る。

【００２８】請求項８に記載の発明は、前記導入口が、
前記ガス通路に面する前記天板、底板、または仕切板の
いずれかに設けた孔であり、同孔にガスを連通する配管
を接続したことを特徴とする請求項１から７のいずれか
に記載のガス導入管としたものである。このようにガス
通路に面する板上に設けた孔に配管を接続することによ
り、このようなガス通路の高さが低い場合でもガス通路
へ導入口を設けて配管が容易に接続できる。

【００２９】請求項９に記載の発明は、前記ガス導入管
を冷却するための冷却機構を備えた請求項１から８のい
ずれかに記載のガス導入管であり、ガス導入管がヒータ
ーからの熱伝導または輻射によって高温にさらされた状
態でもガス導入管を冷却することによって、ガス導入管
内部からの脱ガスの防止、また、ガス導入管内部を通る
ガスの分解や気相反応を防止することができる。

【００３０】請求項１０に記載の発明は、加熱された基
板上で原料ガスに反応を生じさせることにより前記基板
上に薄膜を形成する薄膜成長装置において、前記基板上
に前記原料ガスを導入する請求項１から９のいずれかに
記載のガス導入管を備えたことを特徴とする薄膜成長装
置であり、このようなガス導入管を備えた薄膜成長装置
では、少ない原料ガス流量で十分扁平した複数の層流が
得られるため、薄膜成長時の原料ガス供給量を低減でき
る。

【００３１】請求項１１に記載の発明は、加熱された基
板上で原料ガスに反応を生じさせることにより前記基板
上に薄膜を形成する薄膜成長装置において、主に石英か
らなる反応炉と、同反応炉内に配置した基板保持体と、
同基板保持体の上面とほぼ平行に原料ガスを放出するよ
うに配置した請求項１から９のいずれかに記載のガス導
入管を備えたことを特徴とする薄膜成長装置である。こ
のようなガス導入管から放出されたガスは扁平な層流を
保った状態で石英からなる反応炉内を流れるため、ガス
導入管と基板保持体をほぼ平行に配置することによっ
て、基板上にも扁平な層流を保った原料ガスを流すこと
ができ、基板上に均一な薄膜を成長させることができ
る。また、最も高温にさらされる部分が石英となってい
るので、脱ガスが少なく、基板上に高品質な薄膜を成長
させることができる。

【００３２】請求項１２に記載の発明は、前記反応炉お
よび前記ガス導入管を気密性のあるチャンバー内に収納
した請求項１１記載の薄膜成長装置であり、分割式のガ
ス導入管及び反応炉全体を気密性のあるチャンバー内に
収納することで外部からの大気等のガスの浸入を防止
し、薄膜成長に悪影響を及ぼすことがなくなる。

【００３３】請求項１３に記載の発明は、前記ガス導入
管へそれぞれ別々に供給する原料ガスが、３族元素原料
ガスと５族元素原料ガスである請求項１１または１２記
載の薄膜成長装置である。３族元素原料ガスと５族元素
原料ガスを用いて半導体薄膜を作製する際に、原料ガス
をあらかじめミキシングしてガス導入管に流した場合、
基板上に原料ガスが到達する前に気相反応が起こり易く
なる。そこで、３族元素原料ガスと５族元素原料ガスを
基板に近い位置で合流させることにより、基板表面上で
効率よく原料ガスの反応を起こすことができるため、得
られる薄膜の品質を高めることができ、また、薄膜成長
時における原料ガスの供給量を低減できる。

【００３４】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図１５を用いて説明する。

【００３５】（実施の形態１）図１は第１の実施の形態
における２層のガス放出口を有するガス導入管の構造を
示す図であり、（ａ）は分解した状態のガス導入管の斜
視図、（ｂ）はビスにより固定するガス導入管の斜視
図、（ｃ）はガス導入路への導入口を示すガス導入管の
斜視図、（ｄ）は導入口に配管を接続した状態のガス導
入管の斜視図である。

【００３６】第１の実施の形態におけるガス導入管１１
は、金属製の天板１２及び底板１３と、天板１２及び底
板１３の間に挟み込まれた金属製の２つの側壁体１４
ａ、１４ｂと、さらにこれら２つの側壁体１４ａ、１４
ｂの間に挟み込まれた金属製の仕切板１５等によって構
成されている。

【００３７】金属製の側壁体１４ａ、１４ｂは、図に示
すように平板の一部を切り欠いて凹字状に形成したもの
であり、この切り欠き部分と仕切板１５及び天板１２あ
るいは底板１３とに挟まれて形成される空間がガス通路
１０ａ、１０ｂを構成する。また、側壁体１４ａ、１４
ｂは図のように平板の一部を切り欠いて形成するかわり
に、複数の金属製の角柱や平板を同一面上に並べて同様
の形状に形成することもできる。

【００３８】このような側壁体１４ａ、１４ｂは厚みを
薄くすることができるため、放出口の開口高さを低くで
き、ガス通路１０ａ、１０ｂに扁平かつ均一な層流が得
られると共に、ガス供給量を減らすことができる。ま
た、この側壁体の厚さ、すなわちガス通路の高さは約
０．５ｍｍから５ｍｍの間で任意の厚みとすることがで
きる。一方、仕切板１５の厚みも薄くすることができる
ため、仕切板１５を挟む両側のガス通路１０ａ、１０ｂ
間の距離（仕切板１５の厚み）が狭くなることにより、
ガス通路１０ａ、１０ｂの放出口１６ａ、１６ｂからそ
れぞれ放出されるガスが合流する際、ガスの流れへの仕
切板１５の厚みの影響が少なくなり、より均一な層流を
得ることができる。なお、仕切板１５の厚みは、仕切板
の強度を維持するためにも、０．２ｍｍ≦ｔ≦１ｍｍが
より望ましい。

【００３９】このようなガス導入管１１の組立方法は、
図１に示すように２つの側壁体１４ａ、１４ｂの間に仕
切板１５を挟み込み、さらに天板１２及び底板１３にて
挟み込む。ここで、ガス導入管１１の端面に現れる切り
欠き部分が放出口１６ａ、１６ｂを形成する。

【００４０】このとき、ガスに接する部分は電解研磨し
て、ガスの流れが乱されないようにしておくことが望ま
しい。そしてガスが流れる領域以外の箇所にビス１９等
の金属製の部品を用いて固定する。この方法によれば、
部品の接合を高温での融着や溶接で行わないため、複数
層のガス導入管の放出口の開口高さを接合部の変形やズ
レのない状態で低くできると共に、変形や損傷なしで仕
切板の厚みを薄くできる。

【００４１】次に、図１において、ガス通路１０ａ、１
０ｂにそれぞれ面する天板１２と底板１３に、それぞれ
のガス通路１０ａ、１０ｂに連通する導入口１７ａ、１
７ｂを設け、この導入口１７ａ、１７ｂにガスをそれぞ
れ連通する配管１８ａ、１８ｂを溶接等により接続す
る。ここで、導入口１７ａ、１７ｂを溶接で接合する場
合、溶接時の熱による変形は、配管と導入口の接続部の
みであり、ガス通路内におけるガスの流れに悪影響を及
ぼすことはない。なお、導入口１７ａ、１７ｂは天板１
２または底板１３の同一面上に複数個設けることもでき
る。

【００４２】このような分割式のガス導入管１１とする
ことにより、側壁体１４ａ、１４ｂを単体で加工するこ
とができ、側壁体１４ａ、１４ｂの厚み及び切り欠き幅
を変化させることによって放出口１６ａ、１６ｂの開口
面積を自由に変化させることができる。また、金属製の
側壁体１４ａ、１４ｂの厚みを薄くできることによって
放出口１６ａ、１６ｂの開口高さが低くできること、及
び仕切板１５の厚みを薄くできることによって、放出口
１６ａ、１６ｂから放出されるガスを十分に扁平させた
複数層の層流とすることができるようになる。

【００４３】なお、図２に示すような方法でガス導入管
を固定することもできる。図２（ａ）は金属製の部品と
して凹字型の固定金具１９ａを側面から挟み込んで固定
する例であり、ガス導入管１１を構成する部品にビス孔
を設けることなく全体を固定することができる。図２
（ｂ）は金属製の部品として金属平板１９ｂにより天板
１２及び底板１３のさらに上下から挟み込み、この金属
平板１９ｂに孔を設けてビス１９ｃを用いて固定してい
る。これにより、図２（ａ）の例と同様、ガス導入管１
１を構成する部品にビス孔を設けることなく全体を固定
することができる。これらの方法によれば、溶接等で全
体を接合することなく金属製の部品を用いて固定するた
め、これらの部品を取り外すだけでガス導入管１１の組
立や分解が自由にできるようになる。

【００４４】ここで、図３に示すように、側壁体１４
ａ、１４ｂを挟み込む面には、金属よりも硬度の低いＡ
ｌやＮｉ等の材料からなる厚み１００μｍ以下の金属薄
膜２０を挟み込むのが望ましい。これにより、この金属
薄膜がシール材の役目を果たし側壁体１４ａ、１４ｂを
挟み込む面に密着して隙間を詰めることができ、ガス通
路１０ａ、１０ｂからのガスの漏れやガス通路１０ａ、
１０ｂの外部に存在するガスがガス通路１０ａ、１０ｂ
へ浸入するのを防止することができる。

【００４５】（実施の形態２）図４（ａ）、（ｂ）はそ
れぞれ２つ、３つのガス通路が積層された構造を有する
ガス導入管の斜視図、図５（ａ）は一方の面にガス通路
が積層された構造を有するガス導入管の側面図、図５
（ｂ）は両面にガス通路が積層された構造を有するガス
導入管の側面図、図６（ａ）は図５のＡ部断面拡大図で
ある。

【００４６】第２の実施の形態におけるガス導入管は、
第１の実施の形態において説明したように２つの側壁体
１４ａ、１４ｂの間に仕切板１５を１つ挟むだけでな
く、図４（ｂ）及び図５（ａ）、（ｂ）に示すように、
さらに側壁体１４及び仕切板１５を交互に複数個重ね合
わせた構造としたものである。

【００４７】図４（ｂ）に示すように、上層の放出口１
６ａと下層の放出口１６ｂに挟まれた中層の放出口１６
ｃへの導入口１７ｃは中層部にあり、放出口１６ｃに面
する上下の仕切板１５及び側壁体１４ｃを延長して、仕
切板１５のいずれか一方に放出口１６ｃへの導入口１７
ｃを設け、この導入口１７ｃにガスを連通する配管１８
ｃを接続している。

【００４８】さらに多層構造のガス導入路を有するガス
導入管を形成する場合は、図５（ａ）に示すように一方
の面にガス通路が積層された構造とするか、図５（ｂ）
に示すように両方の面にガス通路が積層された構造とす
ることができる。

【００４９】ここで、図１〜図４に示したガス導入管の
天板、側壁体、仕切板、底板はすべて長方形であるが、
少なくともガス通路を形成する側壁体の切欠部分の形状
は、従来の技術である図１３に示すようにラッパ状にし
た方が、ガス導入口付近でガスが横方向に広がることが
なく、ガス通路内におけるガスの流れが均一になる。

【００５０】図６（ａ）は図５のＡ部断面拡大図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−
Ｃ断面図であり、図中の斜線部分はガスの通路を示す。
ａ１およびａ２から導入されたガスは天板１２の導入口
ｂ１および仕切板１５の導入口ｂ２を通り、側壁体１４
ａ、１４ｂの細い切欠部分ｃ１およびｃ２を通った後、
側壁体１４ａ、１４ｂそれぞれの広い切欠部分に込む流
れ込む。なお、ガス導入管の天板１２、仕切板１５、底
板１３の外形はすべて側壁体１４ａ、１４ｂの外形に合
わせてもよい。

【００５１】図４〜図６に示すように、ガス導入口を天
板１２（底板１３）あるいは仕切板１５に設けているた
め、側壁体１４ａ、１４ｂ、１４ｃの厚みが薄い場合で
も容易に導入口１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、ｂ１、ｂ２等
にガスを連通する配管を接続することができる。

【００５２】（実施の形態３）図７はガス導入管を冷却
するための冷却機構を備えたガス導入管の斜視図であ
り、図１に示すガス導入管１１に対して冷却機構を付加
した構造のものである。

【００５３】図に示す斜線部分が冷却機構としての冷却
ジャケット２１であり、天板１２と底板１３のそれぞれ
に溶接で固定されている。それぞれの冷却ジャケット２
１には、冷却水のＩＮとＯＵＴの配管２２、２３が接続
される。また、冷却ジャケット２１には水ではなく、液
体窒素、または冷却窒素を通してもよい。

【００５４】こうして、ガス導入管１１が高温にさらさ
れた状態でもガス導入管１１を冷却ジャケット２１によ
って冷却し、ガス導入管１１内部からの脱ガスの防止、
また、ガス導入管１１内部を通る原料ガスの分解または
反応を防止することができる。

【００５５】（実施の形態４）第１の実施の形態から第
３の実施の形態において説明したガス導入管を薄膜成長
装置に適用した例を以下に説明する。ここではガス導入
管として図４に示すガス導入管１１を用いている。

【００５６】図８は本発明のガス導入管を備えた薄膜成
長装置の概略図である。

【００５７】本実施の形態の薄膜成長装置は、反応炉３
１内に配置した基板保持体３２と、この基板保持体３２
上に保持される基板３４上に原料となるガスを供給する
ためのガス導入管１１と、反応炉３１外部への排出管３
３を備えたものである。なお、図４に示すガス導入管１
１の配管１８ａ、１８ｂには原料ガスを供給する供給管
３５ａ、３５ｂをそれぞれ接続している。

【００５８】このような薄膜成長装置においては、加熱
された基板３４上で原料ガスを反応させることにより、
薄膜を形成する。このとき、本発明のガス導入管１１を
用いれば、少ない原料ガス流量で十分扁平した複数の層
流が得られるため、薄膜成長時の原料ガス供給量を低減
できる。

【００５９】図９は本発明のガス導入管を備えた別の薄
膜成長装置の概略図である。

【００６０】本実施の形態の薄膜成長装置は、気密性の
あるチャンバー４１内に、主に石英からなる反応炉４６
と、反応炉４６内に配置した基板保持体４２と、同基板
保持体の上面とほぼ平行に原料ガスを放出するためのガ
ス導入管１１とを収納し、反応炉４６からチャンバー４
１外部への排出管４３を備えたものである。なお、図４
に示すガス導入管１１の配管１８ａ、１８ｂには原料ガ
スを供給する供給管４５ａ、４５ｂをそれぞれ接続して
いる。

【００６１】これによれば、ガス導入管１１から放出さ
れた原料ガスが扁平な層流を保った状態で石英からなる
反応炉４６内を流れるため、ガス導入管１１と基板保持
体４２をほぼ平行に配置することによって、基板４４上
にも扁平な層流を保ったガスを流すことができ、基板４
４上に均一性のよい薄膜を成長させることができる。こ
こで、基板面とガス導入管１１がほぼ平行に設置され、
ガスの流れが乱されない程度であれば、基板面とガス導
入管１１との高さは多少ずれていても構わない。

【００６２】また、図９に示すように、分割式のガス導
入管１１及び反応炉４６全体を気密性のあるチャンバー
４１内に収納することで外部からガス導入管１１内に大
気等のガスが浸入することを防止し、薄膜成長に悪影響
を及ぼすことがなくなる。

【００６３】そして、図１０に示すように、供給管４５
ａ、４５ｂへ３族元素原料ガスと５族元素原料ガスをそ
れぞれ別に供給する。この場合、３族元素原料ガス４７
ａおよび４７ｂは水素ガスでバブリングすることによっ
て気化され、２層のガス導入路を持つガス導入管１１の
上段に流れる。一方、５族元素原料ガス４７ｃはガス導
入管１１の下段に流れる。ここで、原料ガスの種類は、
ガス導入管１１の上段と下段で逆でも構わない。また、
図中の矢印はガスの経路を示す。このように３族元素原
料ガスと５族元素原料ガスを別に流して基板４４に近い
位置で合流させることにより、ガス導入管１１内での気
相反応を抑制でき、基板４４表面上で効率よく原料ガス
の反応を起こすことができるため、薄膜成長時における
原料ガスの供給量を低減できる。また、気相反応で発生
したガスによる、悪影響が少ないので、高品質な薄膜を
形成することができる。例えば、３族元素原料４７ａま
たは４７ｂにＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、５族元
素原料ガス４７ｃにアンモニアを用いた場合、ガス導入
管１１の放出口で２つのガスが合流して基板４４上まで
運ばれ、基板４４上に高品質なＧａＮの薄膜を効率よく
成長させることができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明により以下の効果を奏することが
できる。 （１）請求項１記載の発明によって、必要な数だけ側壁
体を天板及び底板の間に挟み込み、それぞれの側壁体の
間に仕切板を挟み込んで複数のガス通路が積層されたガ
ス導入管を得ることができる。このようにして得られた
ガス導入管は、金属平板を重ねた構造であるため、ガス
導入管のガス放出口の開口高さを従来よりも低くでき、
仕切板の厚みも従来よりも薄くすることができ、少ない
原料ガス流量で十分扁平した複数の層流を得ることがで
きる。 （２）請求項２記載の発明によって、ガス放出口の開口
高さを従来よりも低い５ｍｍ以下とすることができ、さ
らに少ない原料ガス流量で十分扁平した複数層の層流を
得ることができる。 （３）請求項３記載の発明によって、仕切板の厚みを１
ｍｍ以下とすることができるため、ガス導入管の複数の
放出口からそれぞれ放出されるガスが合流する際、ガス
の流れへの仕切板の厚みの影響が少なくなり、より均一
な層流が得られるようになる。 （４）請求項４記載の発明によって、側壁体が複数の平
板を同一面上に並べて形成したものであれば、これらの
複数の平板間に形成される隙間によりガス導入路を簡単
に構成することができる。また、側壁体が平板の一部を
切り欠いて形成したものであれば、この切り欠きの形状
を変化させることによってガス導入路の形状を簡単に変
化させることができる。 （５）請求項５記載の発明によって、ステンレス鋼を使
用すれば、安価で加工性もよく、ヒーターからの熱伝導
や輻射によってガス導入管の温度が４００℃になっても
薄膜成長時において、脱ガスの影響を受けにくくなり、
原料ガスを高純度のまま放出口まで運ぶことができる。 （６）請求項６記載の発明によって、ガス導入管を主に
構成する金属よりも硬度の小さい柔らかい材料からなる
金属シートなどの金属薄膜を金属板の間に挟み込むこと
により、この薄膜がシール材の役目を果たし側壁体を挟
み込む面に密着して隙間を詰めることができ、ガス通路
からのガスの漏れやガス通路の外部に存在するガスがガ
ス通路内へ浸入するのを防止することができる。 （７）請求項７記載の発明によって、金属製のビスやく
さび等の部品を用いて固定することにより、これらの部
品を取り外すだけでガス導入管の組立や分解が自由にで
きるようになり、ガス導入管を分解して内部をクリーニ
ングすることができる。また、分解して天板及び底板の
間に挟み込む側壁体や仕切板を他の形状のものに変更し
てガスの流れを変化させることもできる。更に、高温で
の融着や溶接を必要としないので、側壁部分の変形およ
び仕切板の変形やズレをなくすことができる。 （８）請求項８記載の発明によって、ガス通路の高さが
低い場合においても、ガス通路へ導入口を設けて配管が
容易に接続できるようになる。 （９）請求項９記載の発明によって、ガス導入管が高温
にさらされた状態でもガス導入管を冷却し、ガス導入管
内部からの脱ガスの防止、また、ガス導入管内部を通る
ガスの分解や気相反応を防止することができる。 （１０）請求項１０記載の発明によって、少ない原料ガ
ス流量で十分扁平した複数の層流が得られるため、薄膜
成長時の原料ガス供給量を低減できる。 （１１）請求項１１記載の発明によって、ガス導入管か
ら放出された原料ガスが扁平な層流を保った状態で石英
からなる反応炉内を流れるため、ガス導入管と基板保持
体をほぼ平行に配置することによって、基板上にも扁平
な層流を保った原料ガスを流すことができ、基板上に均
一性のよい薄膜を成長させることができる。また、最も
高温にさらされる部分が石英となっているので、脱ガス
が少なく、基板上に高品質な薄膜を成長させることがで
きる。 （１２）請求項１２記載の発明によって、分割式のガス
導入管及び反応炉全体を気密性のあるチャンバー内に収
納することで外部からのガスの浸入を防止し、薄膜成長
に悪影響を及ぼすことがない。 （１３）請求項１３記載の発明によって、３族元素原料
ガスと５族元素原料ガスを基板に近い位置で合流させる
ことにより、基板表面上で効率よく原料ガスの反応を起
こすことができるため、薄膜成長時における原料ガスの
供給量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）第１の実施の形態における２層のガス放
出口を有するガス導入管の構造を示す図であり、分解し
た状態のガス導入管の斜視図 （ｂ）同じくビスにより固定するガス導入管の斜視図 （ｃ）同じくガス通路への導入口を示すガス導入管の斜
視図 （ｄ）同じく導入口に配管を接続した状態のガス導入管
の斜視図

【図２】（ａ）ガス導入管の固定方法を示す図であり凹
字型の固定金具により固定したガス導入管の斜視図 （ｂ）同じく金属平板により固定したガス導入管の斜視
図

【図３】薄膜を挟み込んだガス導入管の構造説明図

【図４】（ａ）２つのガス導入路が積層された構造を有
するガス導入管の斜視図 （ｂ）３つのガス導入路が積層された構造を有するガス
導入管の斜視図

【図５】（ａ）一方の面にガス導入路が積層された構造
を有するガス導入管の側面図 （ｂ）両面にガス導入路が積層された構造を有するガス
導入管の側面図

【図６】（ａ）図５のＡ部断面拡大図 （ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図 （ｃ）（ａ）のＣ−Ｃ断面図

【図７】ガス導入管を冷却するための冷却機構を備えた
ガス導入管の斜視図

【図８】本発明のガス導入管を備えた薄膜成長装置の概
略図

【図９】本発明のガス導入管を備えた別の薄膜成長装置
の概略図

【図１０】図９に示す薄膜成長装置に原料ガスを供給す
る状態を示す概略図

【図１１】従来の有機金属気相成長装置の概略図

【図１２】２層のガス通路を有するガス導入管および反
応炉の側面断面図

【図１３】図１２に示すガス導入管および反応炉の平面
断面図

【図１４】２層の放出口を有するガス導入管の組立説明
図

【図１５】（ａ）２層のガス放出口を有するガス導入管
の仕切板の厚みが異なる場合を示す図であって、厚い仕
切り板を持つガス導入管の側面断面図 （ｂ）同じく薄い仕切り板を持つガス導入管の側面断面
図

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ ガス通路 １１ ガス導入管 １２ 天板 １３ 底板 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ 側壁体 １５ 仕切板 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 放出口 １７ａ，１７ｂ，１７ｃ 導入口 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ 配管 １９，１９ｃ ビス １９ａ 固定金具 １９ｂ 金属平板 ２０ 金属薄膜 ２１ 冷却ジャケット ２２，２３ 配管 ３１，４６ 反応炉 ３２，４２ 基板保持体 ３３，４３ 排出管 ３４，４４ 基板 ３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ 供給管 ４１ チャンバー ４７ａ，４７ｂ ３族元素原料ガス ４７ｃ ５族元素原料ガス

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−139034（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−193015（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−283339（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−144753（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−29128（ＪＰ，Ｕ) 特表 平９−508890（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 C23C 16/455 C30B 25/14 C30B 35/00

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空体の一端部に備えたガスの導入口から
   他端部に備えたガスの放出口に至るガス通路を複数積層
   したガス導入管であって、前記複数のガス通路が、金属
   製の天板及び底板と、同天板及び底板の間に挟み込まれ
   た金属製の複数の側壁体と、同側壁体の間に挟み込まれ
   た金属製の仕切板とに囲まれ形成される空間であること
   を特徴とするガス導入管。
2. 【請求項２】前記側壁体の厚みが、５ｍｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のガス導入管。
3. 【請求項３】前記仕切板の厚みが、１ｍｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載のガス導入管。
4. 【請求項４】前記側壁体が、複数の平板を同一面上に並
   べて形成したものか、あるいは平板の一部を切り欠いて
   形成したものであることを特徴とする請求項１から３の
   いずれかに記載のガス導入管。
5. 【請求項５】前記天板、底板、側壁体、および仕切板
   が、ステンレス鋼製であることを特徴とする請求項１か
   ら４のいずれかに記載のガス導入管。
6. 【請求項６】前記側壁体を挟み込む面に、前記天板、底
   板、側壁体、および仕切板よりも硬度の低い材料からな
   る薄膜を挟み込むことを特徴とする請求項１から５のい
   ずれかに記載のガス導入管。
7. 【請求項７】前記天板及び底板によって挟み込んだもの
   の全体を金属製の部品によって固定したことを特徴とす
   る請求項１から６のいずれかに記載のガス導入管。
8. 【請求項８】前記導入口が、前記ガス通路に面する前記
   天板、底板、または仕切板のいずれかに設けた孔であ
   り、同孔にガスを連通する配管を接続したことを特徴と
   する請求項１から７のいずれかに記載のガス導入管。
9. 【請求項９】前記ガス導入管を冷却するための冷却機構
   を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに
   記載のガス導入管。
10. 【請求項１０】加熱された基板上で原料ガスに反応を生
    じさせることにより前記基板上に薄膜を形成する薄膜成
    長装置において、前記基板上に前記原料ガスを導入する
    請求項１から９のいずれかに記載のガス導入管を備えた
    ことを特徴とする薄膜成長装置。
11. 【請求項１１】加熱された基板上で原料ガスに反応を生
    じさせることにより前記基板上に薄膜を形成する薄膜成
    長装置において、主に石英からなる反応炉と、同反応炉
    内に配置した基板保持体と、同基板保持体の上面とほぼ
    平行に原料ガスを放出するように配置した請求項１から
    ９のいずれかに記載のガス導入管を備えたことを特徴と
    する薄膜成長装置。
12. 【請求項１２】前記反応炉および前記ガス導入管を気密
    性のあるチャンバー内に収納したことを特徴とする請求
    項１１記載の薄膜成長装置。
13. 【請求項１３】前記ガス導入管へそれぞれ別々に供給す
    る原料ガスが、３族元素原料ガスと５族元素原料ガスで
    あることを特徴とする請求項１１または１２記載の薄膜
    成長装置。