JP4933414B2 - Compound thin film semiconductor manufacturing apparatus and ammonia gas supply apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、化合物薄膜半導体製造装置並びにアンモニアガスの供給装置及び方法に関し、詳しくは、アンモニアガスを含む原料ガスを反応室内に供給し、該反応室内で窒化物を含む薄膜半導体、例えばGaN系薄膜化合物半導体を成膜する化合物薄膜半導体製造装置に原料ガスの一つであるアンモニアガスを、水分濃度が十分に低い状態で供給するための装置及び方法に関する。 The present invention relates to a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus and an ammonia gas supply apparatus and method, and more specifically, a raw material gas containing ammonia gas is supplied into a reaction chamber, and a thin film semiconductor containing nitride in the reaction chamber, for example, a GaN-based thin film The present invention relates to an apparatus and method for supplying ammonia gas, which is one of source gases, to a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus for forming a compound semiconductor in a state where the moisture concentration is sufficiently low.
高輝度な青色発光ダイオード(Light Emitted Diode;以下LEDという)の製造においては、一般に、GaN系薄膜化合物半導体が利用されている。GaN系薄膜化合物半導体の製造は、アンモニア及び揮発性の有機ガリウム化合物、例えばトリメリルガリウム等を原料として使用した気相成長(MOCVD)により製造される。GaN半導体薄膜製造における原料ガスであるアンモニアの純度と製造されるLEDの輝度とには密接な関係があり、特にアンモニア中の水分は製造されるLEDの輝度低下を引き起こす。このため、特定の製造方法で製造した水分量1ppm以下の高純度のアンモニアを原料として使用することが行われている(例えば、特許文献1参照。)。 In the manufacture of a high-intensity blue light emitting diode (hereinafter referred to as LED), a GaN-based thin film compound semiconductor is generally used. The GaN-based thin film compound semiconductor is manufactured by vapor phase growth (MOCVD) using ammonia and a volatile organic gallium compound such as trimeryl gallium as a raw material. There is a close relationship between the purity of ammonia, which is a raw material gas in the production of a GaN semiconductor thin film, and the luminance of the manufactured LED. In particular, moisture in ammonia causes a decrease in the luminance of the manufactured LED. For this reason, using highly purified ammonia with the water content of 1 ppm or less manufactured with the specific manufacturing method as a raw material is performed (for example, refer patent document 1).
アンモニアを原料ガスとして用いる場合、通常、アンモニアを充填した高圧ガス容器を供給源として使用している。アンモニアの25℃における蒸気圧は約0.9MPa(絶対圧力)であり、この高圧ガス容器内では一部が液化した液化高圧ガスとして高圧ガス容器内に充填されている。前記高圧ガス容器から化合物薄膜半導体製造装置へのアンモニアの供給は、耐食性、耐圧性に優れたステンレス配管が一般に使用されている。化合物薄膜半導体製造装置では、アンモニアガスの使用圧力が大気圧乃至減圧であるため、供給系には圧力調整器が使用され、製造工程では多層の薄膜を成長させ、その工程に適した流量に調整する必要があるためマスフローコントローラー等が使用される。その他、アンモニアガスの供給状態を適宜確認するために圧力計を設置したり、安全上の設備や部品が設置される場合が多く、高圧ガス容器から化合物薄膜半導体製造装置までの配管長は非常に長く、数〜数十mに及んでいる。 When ammonia is used as a source gas, a high-pressure gas container filled with ammonia is usually used as a supply source. The vapor pressure of ammonia at 25 ° C. is about 0.9 MPa (absolute pressure), and the high-pressure gas container is filled with liquefied high-pressure gas partially liquefied in this high-pressure gas container. For supplying ammonia from the high-pressure gas container to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, stainless steel pipes having excellent corrosion resistance and pressure resistance are generally used. In compound thin film semiconductor manufacturing equipment, the operating pressure of ammonia gas is from atmospheric pressure to reduced pressure, so a pressure regulator is used in the supply system, and a multilayer thin film is grown in the manufacturing process and adjusted to a flow rate suitable for that process. Because it is necessary to do this, a mass flow controller or the like is used. In addition, there are many cases where a pressure gauge is installed to check the supply state of ammonia gas as appropriate, and safety equipment and parts are often installed, and the piping length from the high-pressure gas container to the compound thin film semiconductor manufacturing equipment is very large. It is long and ranges from several to several tens of meters.
また、高圧ガス容器を交換する工程では、アンモニアガスの毒性を鑑み、配管から高圧ガス容器を取り外す前に、窒素等の不活性ガスによるパージ操作を行う。このパージ操作は、アンモニアガス供給系の配管内に残留したアンモニアを取り除き、毒性の無い不活性ガスに置換するために行われる。さらに、高圧ガス容器を取り付けるときには、配管内に空気を取り込んでしまうため、配管内に侵入した空気成分や空気中の水分を取り除くため、取り外し時と同様に不活性ガスでパージ作業を行っている。なお、高圧ガス容器の交換に限らず、供給系の不具合、部品交換等、供給系配管に接続された部分を開放する際には、その前後に不活性ガスによるパージ操作を必ず行っている。
上述のようにして高純度のアンモニアを原料として使用する際、本発明者は、アンモニアガスを供給する配管を、水分濃度が0.1〜1ppbの乾燥窒素でパージした後にアンモニアガスを供給したとき、供給するアンモニアガスを貯蔵している高圧ガス容器内の水分濃度が10ppb以下であるにも関わらず、水分濃度が急激に上昇することを見出した。この水分濃度の急上昇は、供給するアンモニアガス及びパージ操作に使用した不活性ガス中の水分濃度よりもはるかに高く、アンモニア、窒素、水、それぞれのステンレス配管表面への吸着特性の差異によるものであると推測される。この現象が生じるため、例えば、使用するアンモニア中の水分濃度が極低濃度であったとしても、供給初期に高濃度の水分が化合物薄膜半導体製造装置に混入することになる。 When using high-purity ammonia as a raw material as described above, the present inventor supplied ammonia gas after purging piping for supplying ammonia gas with dry nitrogen having a moisture concentration of 0.1 to 1 ppb. The present inventors have found that the water concentration rapidly rises even though the water concentration in the high-pressure gas container storing the ammonia gas to be supplied is 10 ppb or less. This sudden rise in moisture concentration is much higher than the moisture concentration in the ammonia gas to be supplied and the inert gas used for the purge operation, and is due to the difference in the adsorption characteristics of ammonia, nitrogen, water, and stainless steel pipe surfaces. Presumed to be. Since this phenomenon occurs, for example, even if the water concentration in the ammonia used is extremely low, high concentration water is mixed into the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus in the initial stage of supply.
さらに、前述のとおり、高圧ガス容器に充填されて用いられるアンモニアは、常温で容器内の一部が液化したものであり、アンモニア中の水分は、その液相部と気相部とで濃度が異なる。水はアンモニアと比較して沸点が高いため、気相部の水分濃度は液相部に比較して十分に低い。このため、気相部を容器から導出する場合、水分濃度は低く抑えられるが、液相部の水分濃度が上昇するという濃縮現象が生じることから、液相部の水分濃度上昇に伴って気相部の水分濃度も徐々に増加することが知られている。また、高圧ガス容器からガスを導出する際、液化アンモニアが蒸発するときの蒸発潜熱に相当する分の熱量が液相の温度を低下させる。このため、高圧ガス容器内の液相部分の温度が低下し、高圧ガス容器内で突沸が生じ、水分濃度の高い液相部分が放出されてしまう。 Furthermore, as described above, ammonia used by being filled in a high-pressure gas container is a part of the container liquefied at room temperature, and the moisture in ammonia has a concentration between the liquid phase part and the gas phase part. Different. Since water has a higher boiling point than ammonia, the water concentration in the gas phase is sufficiently lower than that in the liquid phase. For this reason, when the gas phase part is led out from the container, the water concentration can be kept low, but a concentration phenomenon occurs in which the water concentration in the liquid phase part increases. It is known that the water concentration of the part also increases gradually. Further, when the gas is led out from the high-pressure gas container, the amount of heat corresponding to the latent heat of evaporation when the liquefied ammonia evaporates reduces the temperature of the liquid phase. For this reason, the temperature of the liquid phase portion in the high pressure gas container is lowered, bumping occurs in the high pressure gas container, and the liquid phase portion having a high moisture concentration is released.
高圧ガス容器内の液相部分の温度は、供給量が多いほど、時間当たりの蒸発に必要な熱量が多いため、温度低下が大きい。また、高圧ガス容器内のアンモニアの残量が少なくなると、熱伝導率の大きい液相部の体積が相対的に小さくなるため、温度低下が大きくなる。このため、高圧ガス容器内のアンモニアの温度変化は、導出流量や残量、環境温度に大きく依存することになる。 The temperature of the liquid phase part in the high-pressure gas container has a large temperature drop because the amount of heat necessary for evaporation per hour increases as the supply amount increases. Further, when the remaining amount of ammonia in the high-pressure gas container is reduced, the volume of the liquid phase portion having a large thermal conductivity is relatively reduced, so that the temperature drop is increased. For this reason, the temperature change of ammonia in the high-pressure gas container greatly depends on the derived flow rate, the remaining amount, and the environmental temperature.
このようなことから、高純度のアンモニアを充填した高圧ガス容器をMOCVDにおける原料ガス供給源として用いた場合、アンモニアガス中の水分濃度が極低濃度であった場合でも、不活性ガスでパージを行った後にアンモニアの供給を開始すると、供給初期に水分濃度が急上昇するという問題とともに、高圧ガス容器からのアンモニアの導出流量や高圧ガス容器内の液相残量、容器内の温度、パージ操作における不活性ガスの使用量、パージ操作終了からアンモニアガス供給開始までの時間、環境温度等によって供給時のアンモニア中の水分濃度が変化するという問題があった。 For this reason, when a high-pressure gas container filled with high-purity ammonia is used as a source gas supply source in MOCVD, purging with an inert gas is possible even if the moisture concentration in the ammonia gas is extremely low. When the supply of ammonia is started after it has been performed, the moisture concentration suddenly rises in the initial stage of supply, as well as the flow rate of ammonia from the high pressure gas container, the liquid phase remaining in the high pressure gas container, the temperature in the container, and the purge operation There has been a problem that the water concentration in ammonia at the time of supply varies depending on the amount of inert gas used, the time from the end of the purge operation to the start of ammonia gas supply, the environmental temperature, and the like.
したがって、原料ガス供給源となる高圧ガス容器に充填するアンモニアを高純度とし、水分濃度を極限まで低下させたとしても、化合物薄膜半導体製造装置に高濃度の水分が混入するおそれがあり、製造する化合物薄膜半導体の品質や性能に悪影響を及ぼすことになる。 Therefore, even if ammonia filled in the high-pressure gas container serving as a source gas supply source is made high purity and the water concentration is lowered to the limit, there is a possibility that high concentration of water may be mixed in the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, and it is manufactured. It will adversely affect the quality and performance of compound thin film semiconductors.
そこで本発明は、アンモニアガスを原料ガスの一つとして使用する化合物薄膜半導体製造装置への水分の混入を十分に低く抑えることができ、安定した状態で高品質、高性能な化合物薄膜半導体を製造することができる化合物薄膜半導体製造装置並びにアンモニアガスの供給装置及び方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can sufficiently suppress the mixing of moisture into a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus that uses ammonia gas as one of the source gases, and manufactures a high quality and high performance compound thin film semiconductor in a stable state. It is an object of the present invention to provide a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus and an ammonia gas supply apparatus and method that can be used.
上記目的を達成するため、本発明の化合物薄膜半導体製造装置は、アンモニアガスを含む原料ガスを反応室内に供給し、該反応室内で窒化物を含む薄膜半導体を成膜する化合物薄膜半導体製造装置において、前記アンモニアガスを反応室内に供給するアンモニアガス供給経路は、前記反応室のアンモニアガス入口経路に設けた水分計と、該水分計の上流側でアンモニアガス入口経路に合流する複数のアンモニアガス供給系統とを有し、該複数のアンモニアガス供給系統は、アンモニアガス供給源と、該アンモニアガス供給源と前記アンモニアガス入口経路とを接続する供給配管と、該供給配管における前記アンモニアガス入口経路との接続部の上流側に設けられた供給弁と、該供給弁の上流側から分岐した排気経路と、該排気経路に設けられた排気弁とをそれぞれ備えるとともに、前記水分計の測定値に基づいて前記複数のアンモニアガス供給系統における前記供給弁と排気弁とを開閉し、複数のアンモニアガス供給系統の内の一つの系統の供給弁を開、排気弁を閉として一つのアンモニアガス供給系統から前記反応室へのアンモニアガスの供給を行い、他のアンモニアガス供給系統の供給弁を閉、排気弁を開として他のアンモニアガス供給系統では前記アンモニアガス供給源からのアンモニアガスを前記排気経路に排出するパージ操作を行うアンモニアガス供給制御部を備えていることを特徴としている。 To achieve the above object, a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is a compound thin film semiconductor manufacturing apparatus that supplies a source gas containing ammonia gas into a reaction chamber and forms a nitride thin film semiconductor in the reaction chamber. The ammonia gas supply path for supplying the ammonia gas into the reaction chamber includes a moisture meter provided in the ammonia gas inlet path of the reaction chamber, and a plurality of ammonia gas supplies joined to the ammonia gas inlet path on the upstream side of the moisture meter A plurality of ammonia gas supply systems, an ammonia gas supply source, a supply pipe connecting the ammonia gas supply source and the ammonia gas inlet path, and the ammonia gas inlet path in the supply pipe A supply valve provided on the upstream side of the connection portion, an exhaust path branched from the upstream side of the supply valve, and provided in the exhaust path Supplying one system among the plurality of ammonia gas supply systems, each having an exhaust valve and opening and closing the supply valve and the exhaust valve in the plurality of ammonia gas supply systems based on the measured value of the moisture meter Open the valve and close the exhaust valve to supply ammonia gas from one ammonia gas supply system to the reaction chamber, close the supply valve of the other ammonia gas supply system, and open the exhaust valve to supply other ammonia gas The system includes an ammonia gas supply control unit that performs a purge operation for discharging ammonia gas from the ammonia gas supply source to the exhaust path.
また、本発明のアンモニアガス供給装置は、アンモニアガスを含む原料ガスを使用して窒化物を含む薄膜半導体を成膜する化合物薄膜半導体製造装置に前記アンモニアガスを供給するアンモニアガス供給装置において、前記化合物薄膜半導体製造装置のアンモニアガス入口経路に設けた水分計と、該水分計の上流側でアンモニアガス入口経路に合流する複数のアンモニアガス供給系統とを有し、該複数のアンモニアガス供給系統は、アンモニアガス供給源と、該アンモニアガス供給源と前記アンモニアガス入口経路とを接続する供給配管と、該供給配管における前記アンモニアガス入口経路との接続部の上流側に設けられた供給弁と、該供給弁の上流側から分岐した排気経路と、該排気経路に設けられた排気弁とをそれぞれ備えるとともに、前記水分計の測定値に基づいて前記複数のアンモニアガス供給系統における前記供給弁と排気弁とを開閉し、複数のアンモニアガス供給系統の内の一つの系統の供給弁を開、排気弁を閉として一つのアンモニアガス供給系統から前記反応室へのアンモニアガスの供給を行い、他のアンモニアガス供給系統の供給弁を閉、排気弁を開として他のアンモニアガス供給系統では前記アンモニアガス供給源からのアンモニアガスを前記排気経路に排出するパージ操作を行うアンモニアガス供給制御部を備えていることを特徴としている。 Further, the ammonia gas supply apparatus of the present invention is the ammonia gas supply apparatus for supplying the ammonia gas to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus for forming a thin film semiconductor containing nitride using a source gas containing ammonia gas. A moisture meter provided in the ammonia gas inlet path of the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, and a plurality of ammonia gas supply systems that merge with the ammonia gas inlet path on the upstream side of the moisture meter, the plurality of ammonia gas supply systems An ammonia gas supply source, a supply pipe connecting the ammonia gas supply source and the ammonia gas inlet path, and a supply valve provided on the upstream side of the connection portion of the ammonia gas inlet path in the supply pipe; Each provided with an exhaust path branched from the upstream side of the supply valve and an exhaust valve provided in the exhaust path; Based on the measured value of the moisture meter, the supply valve and the exhaust valve in the plurality of ammonia gas supply systems are opened and closed, one of the plurality of ammonia gas supply systems is opened, and the exhaust valve is closed. The ammonia gas is supplied from one ammonia gas supply system to the reaction chamber, the supply valve of the other ammonia gas supply system is closed, the exhaust valve is opened, and the other ammonia gas supply system is connected to the ammonia gas supply source. The ammonia gas supply control part which performs the purge operation which discharges | emits ammonia gas to the said exhaust path is provided.
さらに、本発明のアンモニアガス供給方法は、アンモニアガスを含む原料ガスを使用して窒化物を含む薄膜半導体を成膜する化合物薄膜半導体製造装置にアンモニアガスを供給する方法において、前記化合物薄膜半導体製造装置へアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給系統を複数系統設け、該複数系統のアンモニアガス供給系統の内の一つの系統から化合物薄膜半導体製造装置へアンモニアガスを供給しているときに、他のアンモニアガス供給系統では、供給配管中にアンモニアガスを流して系統外に排出するパージ操作を行い、前記化合物薄膜半導体製造装置に供給しているアンモニアガス中の水分濃度を測定し、測定した水分濃度があらかじめ設定された上限水分濃度に上昇したときに、該化合物薄膜半導体製造装置にアンモニアガスを供給しているアンモニアガス供給系統からのアンモニアガスの供給を停止するとともに、前記パージ操作を行っている他のアンモニアガス供給系統からのアンモニアガスの供給を開始することを特徴としている。 In addition, the ammonia gas supply how the present invention is a method of supplying ammonia gas to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus for forming a thin film semiconductor which includes a nitride using a source gas containing ammonia gas, the compound thin film When a plurality of ammonia gas supply systems for supplying ammonia gas to the semiconductor manufacturing apparatus are provided, and when ammonia gas is supplied from one system to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, the other In the ammonia gas supply system, a purge operation for flowing ammonia gas through the supply pipe and discharging it outside the system is performed, the moisture concentration in the ammonia gas supplied to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus is measured, and the measured moisture When the concentration rises to the preset upper limit moisture concentration, the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus It stops the supply of ammonia gas from the ammonia gas supply system that supplies gas, is characterized by starting the supply of ammonia gas from the other of the ammonia gas supply system is performing the purge operation.
さらに、本発明のアンモニアガス供給方法は、前記構成において、前記アンモニアガスによるパージ操作を、パージガスを使用したパージ操作を行った後に開始すること、前記上限水分濃度が50ppbであることを特徴とし、また、前記他のアンモニアガス供給系統のアンモニアガスによるパージ操作は、前記化合物薄膜半導体製造装置に供給しているアンモニアガス中の水分濃度が上昇し始めてあらかじめ設定された中間水分濃度に上昇したとき、好ましくは中間水分濃度が30ppbに上昇したときに開始することを特徴としている。 Further, characterized ammonia gas supply method of the present invention, prior Ki構 formed, a purge operation by the ammonia gas, to begin after the purging operation using purge gas, the upper limit water concentration is 50ppb In addition, the purge operation with the ammonia gas of the other ammonia gas supply system has started to increase the water concentration in the ammonia gas supplied to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus and increased to a preset intermediate water concentration When, preferably, it starts when the intermediate moisture concentration rises to 30 ppb.
本発明によれば、化合物薄膜半導体製造装置へのアンモニアガスの供給を開始する前に、供給配管中をアンモニアガスでパージしてアンモニアガスの供給開始時に水分濃度が上昇したガスを系外に排出するようにしているので、化合物薄膜半導体製造装置に水分濃度の高いアンモニアガスが流入することがなく、安定した状態で高品質、高性能な化合物薄膜半導体を製造することができる。 According to the present invention, before the supply of ammonia gas to the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus is started, the supply pipe is purged with ammonia gas, and the gas whose moisture concentration has increased when the supply of ammonia gas is started is discharged out of the system. Thus, ammonia gas with a high water concentration does not flow into the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, and a high quality and high performance compound thin film semiconductor can be manufactured in a stable state.
図1は本発明のアンモニアガス供給装置を組み込んだ本発明の化合物薄膜半導体製造装置の一形態例を示す要部の系統図である。化合物薄膜半導体製造装置に組み込んだアンモニアガス供給装置は、化合物薄膜半導体製造装置の反応室(チャンバー)11に水分濃度が十分に低い高純度アンモニアガスを供給するためのものであって、反応室11の原料ガス入口部に接続した一つのアンモニアガス入口経路12に対して二つのアンモニアガス供給系統21,31を備えるとともに、アンモニアガス供給系統21,31を切り換え使用するためのアンモニアガス供給制御部41を備えている。なお、図1では、他の原料ガスやパージガスを反応室11に供給する系統の図示は省略している。
FIG. 1 is a system diagram of an essential part showing an embodiment of the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus of the present invention incorporating the ammonia gas supply apparatus of the present invention. The ammonia gas supply device incorporated in the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus is for supplying high purity ammonia gas having a sufficiently low moisture concentration to the reaction chamber (chamber) 11 of the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus. The two ammonia
アンモニアガス入口経路12には、該経路内を流れるアンモニアガス中の水分量を測定する水分計13と、アンモニアガス中の水分を除去する精製器14とが設けられている。精製器14の前後には、精製入口弁15a及び精製出口弁15bが設けられるとともに、精製器14を通さずにアンモニアガスを直接反応室11に供給するためのバイパス弁16が設けられている。
The ammonia
各アンモニアガス供給系統21,31は、アンモニアガス供給源22,32と、該アンモニアガス供給源22,32と前記アンモニアガス入口経路12とを接続する供給配管23,33と、該供給配管23,33における前記アンモニアガス入口経路12との接続部(アンモニアガス供給系統21,31の合流部)12aの上流側に設けられた供給弁24,34と、該供給弁24,34の上流側から分岐した排気経路25,35と、該排気経路25,35に設けられた排気弁26,36と、アンモニアガス供給源22,32の出口部に設けられた供給元弁27,37と、供給配管22,32内のパージ操作を行うためのパージガス導入経路28,38及び該パージガス導入経路28,38に設けられたパージ弁29,39とをそれぞれ備えている。
Each ammonia
アンモニアガス供給源22,32には、水分濃度が十分に低い高純度アンモニアを高圧充填した高圧ガス容器が用いられており、周知のシリンダーキャビネットに装着された状態でアンモニアガスを供給するようにしている。高圧ガス容器を周知のシリンダーキャビネットに装着している場合、残量が少なくなった高圧ガス容器の交換は、供給元弁27,37の上流側において周知のガス置換やパージを含む交換手順により行われる。
As the ammonia
前記アンモニアガス供給制御部41は、前記水分計13で測定したアンモニアガス中の水分濃度に応じて前記供給弁24,34及び排気弁26,36を切り換え開閉することにより、反応室11に供給するアンモニアガスの供給系統を前記アンモニアガス供給系統21,31のいずれかに切り換える系統切替操作と、パージガス導入経路28,38からのパージガスを供給配管23,33内に導入して排気するパージガスによるパージ操作と、アンモニアガス供給源22,32からのアンモニアガスを供給配管23,33内に導入して排気するアンモニアガスによるアンモニアパージ操作とを制御するものであって、このアンモニアガス供給制御部41には、前記各操作を開始するための設定値として上限水分濃度及び中間水分濃度があらかじめ設定されている。
The ammonia gas supply control unit 41 supplies the reaction chamber 11 by switching and opening and closing the
水分計13には、前記特許文献1に記載されたものを使用することも可能であるが、ガスセルの容量が大きいために測定時間が長く掛かり、供給中のアンモニアガス中に含まれる水分濃度の経時的変化を捉えることは困難である。したがって、アンモニアガス中の水分濃度を短時間で測定することができ、水分濃度の経時的変化を的確に捉えることができるキャビティーリングダウン分光法(CRDS)を利用した分析装置を使用することが好ましい。また、精製器14には、アンモニアガス中の水分を除去可能な市販の各種精製器を使用することができる。
Although it is possible to use what was described in the said patent document 1 for the moisture meter 13, since the capacity | capacitance of a gas cell is large, measurement time takes long, and the moisture concentration contained in the ammonia gas currently supplied is taken. It is difficult to capture changes over time. Therefore, it is possible to use an analyzer utilizing cavity ring-down spectroscopy (CRDS) that can measure the moisture concentration in ammonia gas in a short time and can accurately grasp the change in moisture concentration over time. preferable. Moreover, as the
なお、本発明のアンモニアガス供給装置は、化合物薄膜半導体製造装置に組み込むほか、他の装置に高純度アンモニアガスを供給する用途にも使用可能である。また、前記精製器14は必須なものではなく、精製入口弁15a、精製出口弁15b、バイパス弁16を含めて精製器14を省略することができる。
In addition, the ammonia gas supply device of the present invention can be used for the purpose of supplying high-purity ammonia gas to other devices in addition to being incorporated in a compound thin film semiconductor manufacturing device. The
図1に示した構成のアンモニアガス供給装置を組み込んだ化合物薄膜半導体製造装置を使用してGaN系薄膜化合物半導体を成膜する実験を行った。まず、一方のアンモニアガス供給系統21を使用し、不活性ガスである窒素(乾燥高純度窒素ガス)をパージガスとして用いた窒素パージ操作と、アンモニアガス供給源22からのアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給操作とを繰り返し、アンモニアガス入口経路12を流れるガス(窒素、アンモニア)中の水分濃度の変化を水分計13にて測定した。その結果を図2に示す。
An experiment was conducted to form a GaN-based thin film compound semiconductor using the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus incorporating the ammonia gas supply apparatus having the configuration shown in FIG. First, using one ammonia
この結果から、窒素パージ操作からアンモニアガス供給操作に切り換えたときに、水分計13で測定した水分濃度が急上昇していることがわかる。したがって、化合物薄膜半導体製造装置における成膜操作において、窒素パージ操作で各経路内を十分にパージし、水分濃度を4ppb程度に低減してからアンモニアガス供給操作に切り換える従来の一般的なアンモニアガス供給方法では、アンモニアガス供給源22から供給するアンモニアガス中の水分濃度を十分に低くしたとしても、窒素パージ操作からアンモニアガス供給操作に切り換えたときに高濃度の水分が反応室11内に入り込んでしまい、成膜するGaN系薄膜化合物半導体の性能低下を引き起こすおそれのあることがわかる。
From this result, it can be seen that the moisture concentration measured by the moisture meter 13 rapidly increases when the nitrogen purge operation is switched to the ammonia gas supply operation. Accordingly, in the film forming operation in the compound thin film semiconductor manufacturing apparatus, the conventional general ammonia gas supply is performed by sufficiently purging the inside of each path by the nitrogen purge operation and reducing the water concentration to about 4 ppb before switching to the ammonia gas supply operation. In the method, even if the moisture concentration in the ammonia gas supplied from the ammonia
次に、体積47リットルのマンガン鋼容器に高純度のアンモニアを25kg充填したものをアンモニアガス供給源22とし、毎分1リットルでアンモニアガスを連続供給したときの水分濃度の変化を測定した。その結果を図3に示す。この結果から、容器内のアンモニアの残量が500g以下になると水分濃度が上昇し始め、残量が300g程度になると急上昇することがわかる。残量が300gになったときの液相部分の温度は室温より4℃低下していた。
Next, a 25-liter manganese steel container filled with 25 kg of high-purity ammonia was used as the ammonia
また、上記同様の容器からアンモニアの残量が5kgになるまで毎分1リットルで連続的にアンモニアガスを供給した後、流量を毎分5リットル、毎分10リットル、毎分1リットルに変化させて水分濃度の変化を測定した。その結果を図4に示す。この結果から、供給する流量によってアンモニアガス中の水分濃度が変化することがわかる。 Also, after supplying ammonia gas continuously at 1 liter per minute until the remaining amount of ammonia reaches 5 kg, the flow rate is changed to 5 liters per minute, 10 liters per minute, and 1 liter per minute. The change in water concentration was measured. The result is shown in FIG. From this result, it can be seen that the water concentration in the ammonia gas varies depending on the supplied flow rate.
これらのことから、アンモニアガス供給源22におけるアンモニアガス中の水分濃度を厳密に管理しても、化合物薄膜半導体製造装置の反応室11に供給されるアンモニアガス中の水分濃度を十分に管理できないことがわかる。
For these reasons, even if the moisture concentration in the ammonia gas in the ammonia
一方、反応室11に供給するアンモニアガスに水分を添加して水分濃度を5段階に変化させ、図5に示す構造のGaN系薄膜化合物半導体を成膜し、高輝度青色LEDを製造してそれぞれの輝度を測定した。アンモニアガス中の水分濃度と高輝度青色LEDの輝度(水分濃度10ppb未満のときの輝度を100とした相対値)との関係を表1に示す。なお、水分濃度の調整は、前記精製器14とは別の精製器を通して水分濃度を一定としたアンモニアガス中に所定量の水分を添加することにより行い、成膜中は、水分計13にて水分濃度を連続的に確認した。
表1に示す結果から、アンモニアガス中の水分濃度が高くなると、輝度が低下することがわかる。 From the results shown in Table 1, it can be seen that the luminance decreases as the moisture concentration in the ammonia gas increases.
また、同じように水分を添加したアンモニアガスを、アンモニアガス入口経路12に設けた前記精製器14を通して反応室11に供給し、同じGaN系薄膜化合物半導体を成膜して高輝度青色LEDを製造した。精製前のアンモニアガス中の水分濃度と高輝度青色LEDの輝度(精製前水分濃度10ppb未満のときの輝度を100とした相対値)との関係を表2に示す。
表2に示す結果から、アンモニアガス供給源22から供給されるアンモニアガス中の水分濃度が変化しても、精製器を通して水分濃度を十分に低くすることにより、同一輝度の高輝度青色LEDが得られることがわかる。
From the results shown in Table 2, even if the water concentration in the ammonia gas supplied from the ammonia
また、前記同様の体積47リットルのマンガン鋼容器内のアンモニア量が25kgのもので、液相中の水分濃度がそれぞれ100ppb及び1000ppbのものと、アンモニア量が3kgで液相中の水分濃度がそれぞれ100ppb及び1000ppbのものとを用意し、これらを反応室11に供給して前記同様のGaN系薄膜化合物半導体を成膜して高輝度青色LEDを製造した。容器内のアンモニア量、水分濃度及び輝度(容器内重量25kg、液相中水分濃度100ppbのときの輝度を100とした相対値)の関係を表3に示す
表3の結果から、容器内のアンモニアにおける液相中の水分濃度は青色LEDの輝度に影響を与えることはほとんどないが、容器内のアンモニアの重量(残量)減少が青色LEDの輝度に影響を与えることがわかる。 From the results in Table 3, the water concentration in the liquid phase of ammonia in the container hardly affects the luminance of the blue LED, but the decrease in the weight (remaining amount) of ammonia in the container affects the luminance of the blue LED. You can see that
次に、両アンモニアガス供給系統21,31に前記同様の体積47リットルのマンガン鋼容器にアンモニアを25kg充填したものを取り付けてアンモニアガス供給源22,32としたアンモニアガス供給装置を使用し、最初に、一方のアンモニアガス供給系統(以下、第1アンモニアガス供給系統)21から大気圧状態の反応室11にアンモニアガスを毎分5リットルの流量で連続供給し、そのときの水分濃度の変化を測定した。アンモニアガスの供給は、まず、すべての弁が閉じられている状態から排気弁26及びパージ弁29を開き、パージガス導入経路28から供給配管23内に水分濃度5ppb以下の窒素を導入して排気経路25から系統外に排出する窒素パージ操作を行い、供給配管23内の大気成分や水分を窒素で十分にパージした後、排気弁26及びパージ弁29を閉じるとともに、供給元弁27、供給弁24及びバイパス弁16を開き、アンモニアガス供給源22から供給配管23、アンモニアガス入口経路12を介してアンモニアガスを反応室11に供給した。このときに水分計13で測定した水分濃度の経時変化を図6に示す。なお、他方のアンモニアガス供給系統(以下、第2アンモニアガス供給系統)31では、排気弁36及びパージ弁39を開いて窒素パージを継続した。
Next, using both ammonia
図6から明らかなように、窒素ガスによるパージ操作からアンモニアガス供給操作に切り換えた直後に水分濃度が急上昇し、その後、水分濃度が低下して数ppbで安定した状態になり、供給時間の経過に伴って容器内のアンモニアの残量が少なくなってきたときに水分濃度が上昇してくることがわかる。したがって、窒素ガスによるパージ操作からアンモニアガス供給操作に切り換えた直後には、パージ弁29を閉じるとともに供給元弁27を開き、アンモニアガス供給源22から供給元弁27を経て供給配管23に流入したアンモニアガスを排気経路25から系統外に排出するアンモニアガスによるパージ操作を行い、所定時間経過後、あるいは、排気経路25に水分計を設置した場合は、該水分計で測定した水分濃度が所定濃度以下に低下した後、排気弁26を閉じて供給弁24を開くことにより反応室11へのアンモニアガスの供給を開始し、また、前記水分計で測定した水分濃度があらかじめ設定した上限濃度に上昇したときに反応室11へのアンモニアガスの供給を停止することにより、反応室11内への水分の持ち込みを防止することができる。しかし、このようにして反応室11へのアンモニアガスの供給を停止すると、成膜操作が中断するという問題が生じる。
As is clear from FIG. 6, immediately after switching from the purge operation with nitrogen gas to the ammonia gas supply operation, the water concentration suddenly increases, and then the water concentration decreases and becomes stable at several ppb. It can be seen that the moisture concentration increases when the amount of ammonia remaining in the container decreases. Therefore, immediately after switching from the purge operation with nitrogen gas to the ammonia gas supply operation, the
そこでアンモニアガス供給制御部41に上限水分濃度として50ppbを、中間水分濃度として30ppbをそれぞれ設定し、アンモニアガス供給制御部41により各弁を開閉制御して反応室11へアンモニアガスの供給を行った。このとき前記水分計13で測定したアンモニアガス中の水分濃度の経時変化を図7に示す。図7において、(A)は第1アンモニアガス供給系統21から大気圧状態の反応室11にアンモニアガスを毎分5リットルの流量で連続供給している状態を示している。このときの各弁の状態は、アンモニアガス入口経路12のバイパス弁16、第1アンモニアガス供給系統21の供給元弁27及び供給弁24、第2アンモニアガス供給系統31の排気弁36及びパージ弁39がそれぞれ開状態、他の各弁が閉状態となっており、第2アンモニアガス供給系統31では、窒素パージ操作が行われている。
Therefore, 50 ppb was set as the upper limit water concentration in the ammonia gas
前記図6と同様に、アンモニアガス供給操作に切り換えた直後に急上昇した水分濃度は、時間の経過に伴って低下し、低濃度で安定した後、容器内のアンモニア残量の減少によって水分濃度が上昇し始める。水分計13で測定した水分濃度が前記中間水分濃度である30ppbに上昇すると、アンモニアガス供給制御部41が第2アンモニアガス供給系統31のパージ弁39を閉じて供給元弁37を開き、第2アンモニアガス供給系統31において、アンモニアガス供給源32から供給元弁37を経て供給配管33に流入したアンモニアガスを排気経路35から系統外に排出するアンモニアガスによるパージ操作を開始する。このとき、図7の(B)に示すように、水分計13で測定した水分濃度は上昇を続けるが、第2アンモニアガス供給系統31から系統外に排出されているアンモニアガス中の水分濃度は、図7に破線で示すように、急上昇した後に次第に低下している状態となっている。
Similar to FIG. 6, the water concentration rapidly increasing immediately after switching to the ammonia gas supply operation decreases with time, stabilizes at a low concentration, and then the water concentration decreases due to the decrease in the remaining amount of ammonia in the container. Begins to rise. When the moisture concentration measured by the moisture meter 13 rises to 30 ppb, which is the intermediate moisture concentration, the ammonia gas supply control unit 41 closes the
そして、水分計13で測定した水分濃度が前記上限水分濃度である50ppbに上昇すると、アンモニアガス供給制御部41が作動して反応室11にアンモニアガスを供給する系統を第1アンモニアガス供給系統21から第2アンモニアガス供給系統31に切り換える。すなわち、第1アンモニアガス供給系統21では供給元弁27及び供給弁24が閉じ、第2アンモニアガス供給系統31では排気弁36が閉じて供給弁34が開く。これにより、反応室11には、第2アンモニアガス供給系統31のアンモニアガス供給源32から供給配管33及びアンモニアガス入口経路12を経たアンモニアガスが供給される状態になり、図7の(C)に示すように、水分計13で測定した水分濃度は次第に低下して低濃度で安定した状態になっていく。
When the moisture concentration measured by the moisture meter 13 increases to the upper limit moisture concentration of 50 ppb, the ammonia gas supply control unit 41 operates to supply the ammonia gas to the reaction chamber 11 as the first ammonia
このように、水分計13で測定した水分濃度に応じてアンモニアガス供給制御部41で各弁を開閉制御することにより、反応室11へのアンモニアガスの供給を中断することなく、精製器を使用せずに水分濃度が50ppb以下のアンモニアガスを連続供給することができる。 Thus, the purifier can be used without interrupting the supply of ammonia gas to the reaction chamber 11 by controlling the opening and closing of each valve by the ammonia gas supply control unit 41 according to the moisture concentration measured by the moisture meter 13. Without ammonia gas having a water concentration of 50 ppb or less.
なお、上限水分濃度や中間水分濃度の設定値は、供給開始時の水分濃度の上昇状態、その後の低下状態、容器内残量低下による上昇状態、アンモニアガス入口経路12及び供給配管23,33の長さや径、供給流量や圧力、供給中の流量変化や圧力変化、成膜操作で許容される最大水分濃度、その他の条件に応じて設定されるものであり、本実施例に示す設定値に限定されるものではない。また、アンモニアガスの供給量が多い場合には、アンモニアガス供給系統を3系統以上設けることもできる。
The set values of the upper limit moisture concentration and the intermediate moisture concentration are the rising state of the moisture concentration at the start of supply, the subsequent reduction state, the rising state due to the decrease in the remaining amount in the container, the ammonia
11…反応室、12…アンモニアガス入口経路、12a…接続部、13…水分計、14…精製器、15a…精製入口弁、15b…精製出口弁、16…バイパス弁、21,31…アンモニアガス供給系統、22,32…アンモニアガス供給源、23,33…供給配管、24,34…供給弁、25,35…排気経路、26,36…排気弁、27,37…供給元弁、28,38…パージガス導入経路、29,39…パージ弁、41…アンモニアガス供給制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Reaction chamber, 12 ... Ammonia gas inlet path, 12a ... Connection part, 13 ... Moisture meter, 14 ... Purifier, 15a ... Purification inlet valve, 15b ... Purification outlet valve, 16 ... Bypass valve, 21, 31 ... Ammonia gas Supply system, 22, 32 ... ammonia gas supply source, 23, 33 ... supply piping, 24, 34 ... supply valve, 25, 35 ... exhaust path, 26, 36 ... exhaust valve, 27, 37 ... supply source valve, 28, 38 ... Purge gas introduction path, 29, 39 ... Purge valve, 41 ... Ammonia gas supply controller
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