JP5546296B2 - 気相成長装置、材料ガス層流を基板上に水平に供給するノズル、及び気相成長方法 - Google Patents
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Description
図5に示すように、ガス供給部180は、結晶成長材料ガスである有機金属化合物を気化する機能と、気化した有機金属ガスと水素化物ガス等の流量を制御しリアクタ部190へ供給する機能を有する。リアクタ部190へのガス供給系統は主に、有機金属材料ガス供給系統181、第1水素化物ガス供給系統182、第2水素化物ガス供給系統183、押さえガス供給系統184の4系統で構成される。
図5に示すように、リアクタ部は、主に、窒素ガス供給源11に接続されている反応容器212内に配置された、主に、複数のチャネルからなるノズル213、押さえガス噴出器214、基板215、サセプタ216、フロー補助板217、水冷ジャケット218、加熱器219、遮熱板220で構成される。反応容器212には、排気口224が設けられ、圧力調整弁222を介して排気ポンプ223が接続されている。
マニホールド211は、図5に示すように、ガス供給部180とノズル213の間に設置されている。
ノズル213は、図6に示すように、6個のチャネルn1、n2、n3、n4、n5、n6に分割されており、接続ラインn1n6、n2n5、n3n4側の根元でチャネルn3とn4、n2とn5、n1とn6が結合されている。複数のチャネルn1、n2、n3、n4、n5、n6は、噴出する材料ガスの層流が、基板215の中心へ向けた材料ガス流に対して対称に分割された材料ガス流となるように、基板215に平行に並設されている。すなわち、外側のチャネルn1とn6は中央のチャネルn3とn4(両者仕切りを除去してもよい)に関して対称であり、内側のチャネルn2とn5も中央のチャネルn3とn4に関して対称である。このように、6つのチャネルに分割したものを、中央部のチャネルから外側へ配置された順に2つのチャネルをそれぞれ1つに合流され、それぞれチャネルn1とn6、n2とn5、n3とn4を、マニホールドの3つの流入系統の接続ラインn1n6、n2n5、n3n4へ結合した構造とすることができる。
開閉弁制御部300が開閉弁Va1、Vb1、Vc1、Va2、Vb2、Vc2、Va3、Vb3、Vc3を制御するために実行する開閉弁制御シークエンスを、図8のタイミングチャートを用いて説明する。なお、開閉弁制御シークエンスにおいて、最小開閉時間(開状態時間または閉状態時間の単位期間)=0.05秒、分割パターンの1周期=0.45秒としてある。最小開閉時間は0.01秒〜0.05秒を使用できる。
時分割した材料ガスフローを時間混合して供給する本実施形態は、材料ガスをノズル内に滞留させて、材料ガスフローを空間的に均一に混合させている。しかし、シークエンス周期が長くなると、混合性が低下し、結果、成長結晶の膜質が低下する。そこで、分割パターンを開閉弁の最小開閉時間まで時間軸上で細分化し、パターン内で分散化することで、ノズルへ供給されるガス種の時間間隔を短くするのである。これにより、材料ガスの混合性は向上し、ガス濃度をさらに均一化できる。すなわち、マニホールド211の開閉弁の開閉パターンが、開閉器の開閉最小時間単位で一定の周期時間内で、細分化されているのである。
本発明によれば、ノズルの中央チャネル(n3とn4)からの材料ガスフローの濃度を濃くし、次の中間チャネル(n2とn4)からの材料ガスフローの濃度を少し薄くし、外端チャネル(n1とn6)を薄くすることで基板上に流れる材料ガス濃度をフロー中心からフロー端にかけて薄くできる。
図15に本発明の気相成長装置の変形例、特にノズルの変形例を示す。この変形例はノズル以外、図6に示す構成と同一である。
成長用の基板には、2インチφのc面サファイア単結晶基板、厚みt=0.43mm、面方位が<10−10>方向へ0.05°傾いた0.05°オフ基板、いわゆる(0001)0.05°off to<10−10>基板を用いた。
ここでは、材料ガスフローの開閉弁制御シークエンスは、図10に示す「パターン混在シークエンス」を用いた。
材料ガスフローの開閉弁制御シークエンスとして図8に示す「aaa(凸凸凸)パターン」を用いた以外、実施例1と同一の成長プロセスを実行した。但し、成長時間は1時間とし、膜厚約3μmで成長した。
材料ガスフローの開閉弁制御シークエンスとして図9に示す「bbb(凹凹凹)パターン」を用いた以外、実施例1と同一の成長プロセスを実行した。
(実施結果:膜厚分布比較)
比較例と実施例で得たGaN層の膜厚分布の比較を表1に示す。
181…有機金属材料ガス供給系統
182…第1水素化物ガス供給系統
183…第2水素化物ガス供給系統
190…リアクタ部
211…マニホールド
212…反応容器
213…ノズル
214…押さえガス噴出器
215…基板
216…サセプタ
217…フロー補助板
300…開閉弁制御部
n1n6、n2n5、n3n4…接続ライン
Va1、Va2、Va3…有機金属材料ガス供給系統開閉弁
Vb1、Vb2、Vb3…第1水素化物ガス供給系統開閉弁
Vc1、Vc2、Vc3…第2水素化物ガス供給系統開閉弁
n1、n2、n3、n4、n5、n6…チャネル
Claims (8)
- 基板を保持し、かつ、前記基板を加熱および回転させるサセプタと、
各々が噴出すべき材料ガスの層流の中心に対して対称な流路を有する複数のチャネル対が前記基板に平行に並設されて構成され、かつ、前記基板の上面に沿って前記基板の上面に平行な方向に流れる材料ガス流を供給するノズルと、
相互反応により結晶成長可能な少なくとも2種類以上の材料ガスのガス供給部から前記ノズルへ種類別に前記材料ガスを供給する複数のガス供給系統と、
前記複数のガス供給系統と前記ノズルの間に設けられ、かつ、前記複数のガス供給系統のいずれの一系統も、前記複数のチャネル対の各々への材料ガスの供給または停止を制御する少なくとも2つの開閉弁を有して、前記開閉弁の選択的開閉により少なくとも2種類の前記材料ガスを前記複数のチャネル対の各々へ供給するマニホールドと、
前記開閉弁を駆動制御する開閉弁制御部と、を含み、
前記複数のチャネル対の各々の流路内において、前記マニホールドから供給された前記少なくとも2種類の前記材料ガスをチャネル毎に分流する分流素子と、前記分流素子から供給された前記少なくとも2種類の前記材料ガスを滞留せしめ混合する滞留素子と、が設けられ、
前記開閉弁制御部は、前記複数のガス供給系統の各々毎に前記材料ガスを時間的に分割し、分割された材料ガスを時間的に途切れなく前記複数のチャネル対の各々へ供給することで前記複数のチャネル対の各々の前記材料ガスの流れを連続的とし、かつ、前記複数のチャネル対の各々の前記材料ガスの濃度を設定するように前記開閉弁を駆動制御すること、を特徴とする気相成長装置。 - 前記開閉弁制御部は、前記マニホールドの前記開閉弁の開閉パターンを一定の周期時間内で繰り返して、前記複数のチャネル対の各々の前記材料ガスの濃度を設定することを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。
- 前記複数のチャネル対の各々は、前記材料ガスの層流を、前記基板の中心へ向けた材料ガス流に対して対称に分割された材料ガス流として、噴出することを特徴とする請求項1または2に記載の気相成長装置。
- 前記複数のガス供給系統の少なくとも1つが有機金属材料ガスを供給する系統であり、少なくとも1つが水素化物ガスを供給する系統であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の気相成長装置。
- 前記有機金属材料ガス材料がトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムの何れか1つ以上であり、水素化物ガスがNH3を含んだガスであることを特徴とする請求項4に記載の気相成長装置。
- 更に、前記材料ガス流を前記サセプタと前記基板の上面に押さえる押さえガスを供給する押さえガス噴出器を前記サセプタの上方に備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1に記載の気相成長装置。
- 気相成長装置の反応容器内において材料ガスの層流を基板上に水平に供給するノズルであって、各々が噴出すべき材料ガスの層流の中心に対して対称な流路を有する複数のチャネル対が前記基板に平行に並設されかつ、前記チャネル対の各チャネルに対応した開口部を有し、前記チャネル対の流路内において、供給された少なくとも2種類の前記材料ガスをチャネル毎に分流する分流素子と、前記分流素子から供給された前記少なくとも2種類の前記材料ガスを滞留せしめ混合する滞留素子と、が設けられていることを特徴とするノズル。
- 請求項1乃至6のいずれか1に記載の気相成長装置を用いて基板上に結晶を成長するに際して、結晶の厚みの分布が前記基板の中央に対して前記基板の外周が厚くなる第一の開閉弁用開閉パターンと、前記基板の中央に対して前記基板の外周が薄くなる第二の開閉弁用開閉パターンとを決定し、第一の開閉弁用開閉パターンと第二の開閉弁用開閉パターンとを所定の比率で混合した第三の開閉弁用開閉パターンに従って前記開閉弁を駆動し、結晶の厚みの分布が前記基板の中央に対して前記基板の外周が略同一となる結晶を成長することを特徴とする気相成長方法。
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