JP4474149B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、フローチャンネルを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給して半導体薄膜を製造する横型の気相成長装置に関する。

水平方向に設置した基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置では、原料ガス（反応ガス）を基板面に平行な方向に供給するためのフローチャンネル（ライナー管）を設けるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２７３４１９７号公報

しかしながら、従来の気相成長装置におけるフローチャンネルでは、基板面に原料ガスを均質なガス流れ状態で供給することができず、基板面に均一な半導体薄膜を成長させることが困難であった。

そこで本発明は、原料ガスを均質に基板面に供給することができ、基板面に均一な半導体薄膜を成長させることができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、フローチャンネルを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給しながら前記基板面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置において、前記フローチャンネルは、ガス流れ方向下流側に向かって順に、ガス導入部、第１フローチャンネル部、第２フローチャンネル部及びガス吹出部を有し、前記ガス導入部は、前記第１フローチャンネル部の最上流部の形状と略同様の形状であって、前記第１フローチャンネル部及び前記第２フローチャンネル部の幅寸法は、ガス流れ方向下流側に向かって平面視次第に大きくなる形状を有し、前記第１フローチャンネル部の鉛直方向の高さ寸法は、ガス流れ方向下流側に向かって、側面視次第に小さくなる形状を有するとともに、前記第２フローチャンネル部の鉛直方向の高さ寸法は、側面視水平方向に扁平な形状を有し、前記ガス吹出部は、前記第２フローチャンネル部から流出した原料ガスを基板面にガイドするものであって、第２フローチャンネル部の最下流部の形状と同様の形状になるよう、ガス流れ方向に向かって、平面視同一幅寸法を有するとともに、側面視水平方向に扁平な形状を有していることを特徴とし、また、前記第１フローチャンネル部は、前記第２フローチャンネル部に対して上流側を上下両方向に高さ寸法を拡大していることを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、基板面に対して均一な流速分布で原料ガスを均質な状態で供給することができるので、基板面に均一な半導体薄膜を成長させることができる。

図１乃至図４は、本発明の気相成長装置で使用するフローチャンネルの一形態例を示すもので、図１は斜視図、図２は横断面図、図３は縦断面図、図４はガス導入部の断面側面図である。このフローチャンネル１１は、ガス導入管１２から導入される原料ガスを基板面に平行な方向に供給するためのものであって、ガス流れ方向から順に、ガス導入部１３、第１フローチャンネル部１４、第２フローチャンネル部１５及びガス吹出部１６を有している。

前記第１フローチャンネル部１４及び第２フローチャンネル部１５は、図２に示すように、平面視でガス流れ方向下流側に向かって幅寸法が次第に大きくなる形状を有しており、さらに、第１フローチャンネル部１４は、図３に示すように、側面視でガス流れ方向下流側に向かって鉛直方向の高さ寸法が次第に小さくなる形状を有している。

ガス導入部１３は、図４に示すように、第１フローチャンネル部１４の最上流部の形状と略同様の形状を有するものであって、ガス流れ方向の断面が正方形乃至正方形に近い形状となっており、その中心に前記ガス導入管１２が挿入されている。ガス導入管１２の先端部側壁には、原料ガスを放射状に噴出するためのガス噴出孔１７が複数箇所に設けられており、ガス導入部１３の内部に均等に原料ガスを噴出できるようにしている。

また、ガス吹出部１６は、第２フローチャンネル部１５から流出した原料ガスを基板面にガイドするものであって、第２フローチャンネル部１５の最下流部の形状と同様の水平方向に扁平な形状を有しており、その開口幅は、基板の直径よりも大きく設定されている。

ガス導入管１２からガス導入部１３に導入された原料ガスは、ガス導入部１３内において各方向に均等に拡散した状態となり、第１フローチャンネル部１４に流入する。この第１フローチャンネル部１４では、高さ寸法が次第に小さくなりながら、幅寸法が次第に大きくなっていくので、原料ガスの流れを上下方向から押さえ付けながら幅方向に均等に広げていく状態となる。

さらに、第２フローチャンネル部１５に流入すると、高さ寸法が変化せずに幅寸法だけが拡大する状態となっているので、各方向に拡散しようとする原料ガスの流れを、上下方向は抑制しながら、両側壁部分の幅方向では拡散を促進するような状態となる。また、両側壁が拡開していることにより、側壁との接触によるガス流れの乱れもほとんど生じることがなく、均質なガス流れを形成することができる。

これにより、ガス吹出部１６では、原料ガスが淀むことなく下流方向に流れる状態となるので、この部分に基板を設置することにより、気相反応によるパーティクルの発生や異常な核成長の発生を抑制することができる。この結果、基板面上空での原料ガス濃度分布状況は、上流部分から下流部分に向かって線形的な分布を得ることができ、基板を回転させることにより、あるいは、複数の基板を保持したサセプタを回転させることにより、基板面に面内均一性に優れた均質な膜を得ることができる。

なお、ガス吹出部１６の長さは、基板の大きさや原料ガスの流速等の条件に応じて任意に設定することができる。

このように形成したフローチャンネル１１は、図５の縦断面図に示すように、気相成長装置における反応管２１の一端から管内に挿入された状態で使用され、サセプタ２２に保持された基板２３の表面に平行な方向に原料ガスを供給し、サセプタ２２を介して所定温度に加熱されている基板２３の表面に半導体薄膜を成長させる。

第１フローチャンネル部１４は、図３に示すように、第２フローチャンネル部１５に対して上流側を上下両方向に高さ寸法を拡大することもできるが、図６の縦断面図に示すように、上面１４ａ又は下面１４ｂのみを斜面とし、一方向にのみ高さ寸法を拡大させるように形成することもできる。また、図６において、第１フローチャンネル部１４の下面１４ｂも上方に傾斜させ、上面１４ａの傾斜角を下面１４ｂの傾斜角よりも大きくすることによって、上流側の高さ寸法を徐々に大きくするように形成することも可能である。

さらに、図７の縦断面図に示すように、第１フローチャンネル部１４の形状を、図６に示した一方の面１４ａのみが傾斜面となるように形成することにより、２個のフローチャンネル１１を上下に積層した状態の２層構造とすることもできる。これにより、複数のガスを基板に向けて独立した状態で供給することが可能となる。また、第１フローチャンネル部１４の形状を工夫することにより、３層以上に積層することもできる。

なお、このような積層構造を採用する場合、上下のフローチャンネル１１の境界となる区画板部１１ａは、フローチャンネル１１の終端で端面を揃える必要はなく、ガス吹出部１６内あるいは第２フローチャンネル部１５内に終端面を位置させておくこともできる。

実施例１
図５に示した構造の気相成長装置を使用し、図２，図３に示す形状のフローチャンネル１１から吹き出されるガスの流れ分布を計測した。導入するガスは窒素ガスを使用し、流量は３０ＳＬＭに設定した。ガス導入部１３は、幅３０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ１５ｍｍとし、ここに、外径３／８インチのステンレス管からなるガス導入管１２を挿入した。ガス導入管１２の先端部側壁には、直径３ｍｍのガス噴出孔１７を９０度間隔で４箇所に設けた。

フローチャンネル１１（第１フローチャンネル部１４及び第２フローチャンネル部１５）の長さ寸法（Ｌ１）は３００ｍｍ、最下流部の幅寸法（Ｗ１）は２００ｍｍ、ガス吹出部１６の長さは１５ｍｍとした。なお、第１フローチャンネル部１４における最上流部の高さ寸法（Ｈ１）はガス導入部１３の高さと同じ３０ｍｍ、幅寸法（Ｗ２）は３０ｍｍである。この基準寸法に対して、第１フローチャンネル部１４の長さ寸法（Ｌ２）及び最下流部の高さ寸法（Ｈ２）を変化させ、これらの寸法変化に対するガス流れの状態を計測した。

第１フローチャンネル部１４の最上流部の高さ寸法（Ｈ１）を３０ｍｍとし、この高さ寸法（Ｈ１）と最下流部の高さ寸法（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）に対する第１フローチャンネル部１４の長さ寸法（Ｌ２）の比率ａ＝((Ｈ１−Ｈ２)／Ｌ２）と、ガス吹出部１６における流速分布との関係を調べた。その結果を図８に示す。

図８において、縦軸は、流速ｕを全体の平均流速Ｕで規格化した値（無次元流速）であり、横軸は、フローチャンネルを真上から見たときの流れ方向の中心軸（対称面）からの距離（Ｘ）をフローチャンネルの最下流部の幅寸法（Ｗ１）で規格化した値である。すなわち、横軸がゼロのときは流れ方向の中心軸上での流速を示しており、図の左端の０．５０は、フローチャネルの最も側壁近傍の流速を表している。この結果から、前記比率ａが０．２以上、特に、０．３以上で比較的均等な流速分布が得られ、高さ寸法（Ｈ２）を小さくして長さ寸法（Ｌ２）を小さくすることによって流速分布をより均一化できることがわかる。

実施例２
実施例１のフローチャンネルをＣＶＤ装置に装着して結晶成長の操作を行った。なお、第１フローチャンネル部１４の最上流部の高さ寸法（Ｈ１）は３０ｍｍ、最下流部の高さ寸法（Ｈ２）は１０ｍｍ、長さ寸法（Ｌ２）は５０ｍｍであり、前記比率ａは０．４である。また、図９の平面図に示すように、基板２３は、サセプタ２２の上面に７枚設置し、サセプタ２２を毎分１０回転で回転させた。この状態で基板２３を１０５０℃に加熱し、定法に従ってＧａＮ結晶を成長させた。その結果、面内均一性は１％以下であり、従来の一般的な面内均一性である３％に比べて良好な結果を得ることができた。

発光ダイオードやレーザダイオードの発光デバイスに用いられる化合物半導体、例えば窒化ガリウム系化合物半導体を製造するための気相成長装置に利用できる。

本発明の気相成長装置で使用するフローチャンネルの一形態例を示す斜視図である。 同じく横断面図である。 同じく縦断面図である。 同じくガス導入部の断面側面図である。 気相成長装置にフローチャンネルを装着した状態を示す縦断面図である。 フローチャンネルの他の形態例を示す縦断面図である。 ２層構造としたフローチャンネルの一形態例を示す縦断面図である。 実施例１において、第１フローチャンネル部の最上流部の高さ寸法（Ｈ１）と最下流部の高さ寸法（Ｈ２）との差（Ｈ１−Ｈ２）に対する第１フローチャンネル部の長さ寸法（Ｌ２）の比率ａ＝((Ｈ１−Ｈ２)／Ｌ２）と、ガス吹出部における流速分布との関係を測定した結果を示す図である。 実施例１におけるサセプタ上の基板の配置状態を示す平面図である。

符号の説明

１１…フローチャンネル、１２…ガス導入管、１３…ガス導入部、１４…第１フローチャンネル部、１５…第２フローチャンネル部、１６…ガス吹出部、１７…ガス噴出孔、２１…反応管、２２…サセプタ、２３…基板、Ｈ１…第１フローチャンネル部の最上流部の高さ寸法、Ｈ２…第１フローチャンネル部の最下流部の高さ寸法、Ｌ１…フローチャンネルの長さ寸法、Ｌ２…第１フローチャンネル部の長さ寸法、Ｗ１…フローチャンネルの最下流部の幅寸法、Ｗ２…フローチャンネルの最上流部の幅寸法

Claims (2)

1. フローチャンネルを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給しながら前記基板面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置において、前記フローチャンネルは、ガス流れ方向下流側に向かって順に、ガス導入部、第１フローチャンネル部、第２フローチャンネル部及びガス吹出部を有し、前記ガス導入部は、前記第１フローチャンネル部の最上流部の形状と略同様の形状であって、前記第１フローチャンネル部及び前記第２フローチャンネル部の幅寸法は、ガス流れ方向下流側に向かって平面視次第に大きくなる形状を有し、前記第１フローチャンネル部の鉛直方向の高さ寸法は、ガス流れ方向下流側に向かって、側面視次第に小さくなる形状を有するとともに、前記第２フローチャンネル部の鉛直方向の高さ寸法は、側面視水平方向に扁平な形状を有し、前記ガス吹出部は、前記第２フローチャンネル部から流出した原料ガスを基板面にガイドするものであって、第２フローチャンネル部の最下流部の形状と同様の形状になるよう、ガス流れ方向に向かって、平面視同一幅寸法を有するとともに、側面視水平方向に扁平な形状を有していることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記第１フローチャンネル部は、前記第２フローチャンネル部に対して上流側を上下両方向に高さ寸法を拡大していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。

Images