JP7498734B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置に関し、特に、反応炉内において、加熱環境下でサセプタに保持された基板に対して、金属塩化物からなる複数の反応ガスを供給して作用させることにより、基板上に複数の化合物半導体薄膜を形成・成長させるための気相成長装置に関する。

従来から、例えば、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を基板上に成長させる方法として、ＭＢＥ法（分子線結晶成長法：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、及びＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の気相エピタキシャル成長法が知られている。これらの各成長法は、それぞれの特徴から、化合物半導体薄膜の製造における用途が分かれている。

ＭＢＥ法は、真空下で分子線セル内の原料を加熱して蒸発させ、基板上に供給する方法であることから、高純度の化合物半導体薄膜を成長させることができ、且つ、ヘテロ界面が比較的容易に得られるという利点がある。一方、ＭＢＥ法は、他の成長法に比べて成長速度が遅く、設備費も高いことから、量産には向かないという問題もある。

ＭＯＣＶＤ法は、現在、化合物半導体デバイスの製造において主流の方法であり、半導体薄膜の成長速度をサブミクロン～１０μｍ／ｈｒ程度の範囲で制御でき、また、Ｐ型及びＮ型ドーピングも１０^１６～１０^２０ｃｍ^－３程度まで制御でき、さらに、界面の急峻性も原子層レベルで制御可能であるという利点がある。一方、ＭＯＣＶＤ法は、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の有機金属を用いることから、他の成長法に比べて原料が高価であり、設備も比較的高価となる。また、近年、ＧａＮパワーデバイスにおいて、縦方向に電流を流す縦型ダイオードやトランジスタ等の開発が進められているものの、このようなパワーデバイスにおける半導体薄膜は数十μｍ程度の膜厚が必要なことから、成長速度が数μｍ／ｈｒ程度のＭＯＣＶＤ法ではスループットに劣り、生産性が高められ難いという問題がある。

ＨＶＰＥ法は、成長速度が１００μ／ｈｒ以上と非常に速く、薄膜中に混入する原料由来のカーボン不純物が非常に少ないという利点がある（例えば、非特許文献１を参照）。一方、ＨＶＰＥ法は、反応炉内で原料ガスを発生させる方法のため、反応炉の炉内容積が大きくなり、原料ガスの切替えに時間がかかることから、急峻な界面が得られ難いという問題がある。これは、ＨＶＰＥ法の特徴として、金属塩化物からなる原料ガスを反応炉内で製造していることに起因する。

より詳細に説明すると、上記のＨＶＰＥ法によって化合物半導体薄膜を成長させる気相成長装置においては、通常、反応炉内におけるガス流れの上流部に金属原料のボートを設置し、そのボートに塩化水素又は塩素を導入することで金属材料と反応させ、塩化物原料を製造する構成を採用している。ＨＶＰＥ法では、上記のような塩化物原料を製造する構成を内包させることから、反応炉の容積が大きくなるため、反応炉におけるガス流れの上流で原料ガスを切り替えたとき、反応炉内の原料ガスが切り替わるのに相当の時間を要する。

一方、近年では、ＨＶＰＥ法で用いられる原料である金属材料単体や塩素、塩化水素が比較的安価であることから、ＨＶＰＥ法によって化合物半導体薄膜からなるデバイス構造を成長させることが検討されている。

大島隆治，庄司靖，牧田紀久夫，菅谷武芳，「化合物半導体の高速成長と太陽電池応用（応用物理；８９巻６号）」，公益社団法人 応用物理学会，２０２０年６月１０日，Ｐ３３３～３３７

化合物半導体薄膜からなるデバイス構造を成長させるのには、異なる材料からなる半導体薄膜を複数層で堆積させる必要があり、それぞれの層の間における界面の急峻性がデバイスの性能を左右する。これに対応するため、上記の非特許文献１には、ＨＶＰＥ法によって太陽電池デバイス構造を製造するのにあたり、反応炉内に、金属材料が配置されるボート、及び、原料ガスを噴出するノズルを複数で設置し、基板を保持させたサセプタを、上記の各ノズルと対向する位置に適宜移動させることが提案されている。

しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、基板を保持するサセプタを移動させるための手段や、反応炉内の気密性の保持等については、何ら言及されていない。このため、非特許文献１に記載の技術は、サセプタの移動機構を備えることに伴う反応炉の気密性の低下や、サセプタを各ノズルと対向する位置に移動させたときの位置の再現性の低下を招くものと考えられる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、サセプタに保持された基板上に異なる組成の半導体薄膜を連続して成長させる際、気密性に優れた反応炉内において、基板がノズルと正確な位置で対向するようにサセプタを移動でき、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能な気相成長装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ねた。この結果、それぞれ異なる原料ガスを噴出する第１ガスノズル及び第２ガスノズルに対し、サセプタの位置を切り替えるサセプタ移動機構を、基板を保持したサセプタを公転させることで第１ガスノズル又は第２ガスノズルに対向する位置に移動させるためのサセプタ公転板を備えたサセプタ公転機構と、基板を保持したサセプタを自転させるサセプタ自転機構とから構成することを知見した。これにより、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能になることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、請求項１に係る発明は、有機金属気相成長法を用いることなく、金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、前記基板上に半導体薄膜を成長させる気相成長装置であって、パージガスで満たされた反応炉内において前記基板を保持する自転自在なサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段と、内部に配置された第１の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第１の反応ガスを前記基板上に導く第１ガスノズルと、内部に配置された第２の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第２の反応ガスを前記基板上に導く第２ガスノズルと、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルに対する前記サセプタの位置を、前記第１ガスノズルにおける前記第１の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第１の位置と、前記第２ガスノズルにおける前記第２の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第２の位置との間で切り替えるサセプタ移動機構と、を備え、前記サセプタ移動機構は、前記サセプタを、該サセプタの中心軸を中心に自転させるためのサセプタ自転機構と、前記サセプタ自転機構が取り付けられて回転自在とされたサセプタ公転板を有し、前記サセプタ公転板の中心軸を中心に前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させるためのサセプタ公転機構とからなり、前記サセプタ、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルの各々の中心軸は、平面視において、前記サセプタ公転板の前記中心軸に対応する位置に対して等距離に離間して配置されており、前記サセプタ移動機構が、前記サセプタ公転板を回転させることで前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させることにより、前記サセプタの位置を、前記第１の位置又は前記第２の位置に移動させ、前記第１の位置において前記サセプタを公転させることなく、前記サセプタを自転させながら、前記基板上に第１の半導体薄膜を成長させ、前記第２の位置において前記サセプタを公転させることなく、前記サセプタを自転させながら、前記基板上に第２の半導体薄膜を成長させ、前記第１の半導体薄膜と前記第２の半導体薄膜の組成が異なることを特徴とする気相成長装置である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気相成長装置であって、さらに、前記第１ガスノズルと前記第２ガスノズルとの間に配置され、前記基板上にパージガスを導くパージガスノズルを具備し、前記サセプタ移動機構は、前記サセプタの位置を、前記第１の位置と前記第２の位置との間に位置し、前記パージガスノズルにおける前記パージガスの噴出口と互いに向かい合う第３の位置に切り替え可能であることを特徴とする気相成長装置である。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置であって、前記反応炉は、各ガスが水平方向に流れる横型炉とされており、前記サセプタ移動機構は、前記サセプタ公転板を回転させることで前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させることにより、前記サセプタの位置を、前記第１の位置又は前記第２の位置に移動させる際に、前記サセプタの公転と自転とを同期させながら該サセプタを回転させるとともに、前記サセプタに保持された前記基板を平面視したときの公転方向と自転方向とが逆方向であり、且つ、公転周期と自転周期とが同一であり、前記サセプタは、前記第１の位置及び前記第２の位置の何れの位置においても、前記サセプタに保持された前記基板の平面視における位相が同じであるモードを有することを特徴とする気相成長装置である。

請求項４に係る発明は、請求項１～請求項３の何れかに記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルは、前記基板上にハイドライド気相成長法によって半導体薄膜を成長させるものであり、前記反応ガスが金属塩化物であり、前記半導体薄膜が、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、及びＩｎ_２Ｏ_３のうちの何れか、あるいは、それらの混晶からなることを特徴とする気相成長装置である。

請求項５に係る発明は、請求項１～請求項４の何れかに記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズルが、前記基板上に前記第１の半導体薄膜を成長させ、前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体薄膜上に前記第２の半導体薄膜を成長させることを特徴とする気相成長装置である。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズルが、前記第２ガスノズルによって成長させた前記第２の半導体薄膜上に、さらに、前記第１の半導体薄膜を成長させることを特徴とする気相成長装置である。

請求項７に係る発明は、請求項５に記載の気相成長装置であって、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルが、前記第１の半導体薄膜と前記第２の半導体薄膜とを交互に積層しながら成長させることを特徴とする気相成長装置である。

本発明に係る気相成長装置によれば、上記のように、第１の反応ガスを基板上に導く第１ガスノズル、及び、第２の反応ガスを基板上に導く第２ガスノズルに対し、基板を保持するサセプタの位置を切り替えるサセプタ移動機構が、基板を保持したサセプタを公転させることで第１ガスノズル又は第２ガスノズルに対向する位置に移動させるためのサセプタ公転板を備えたサセプタ公転機構と、基板を保持したサセプタを自転させるサセプタ自転機構とを有した構成を採用している。
上記のサセプタ公転機構を有することにより、まず、サセプタ公転板によって反応炉内の気密性を保持しながら、サセプタを公転で移動させることで、サセプタに保持された基板が、第１ガスノズル又は第２ガスノズルに対して正確な位置で対向するように移動する。これにより、第１の反応ガス及び第２の反応ガスが効率よく基板上に供給されるので、薄膜中に不純物等が混入することなく半導体薄膜を成長させることができる。
また、上記のサセプタ自転機構を有することにより、基板上に均一な厚さで半導体薄膜を成長させることができる。
従って、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能になる。

本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、基板を保持したサセプタと第１ガスノズルとが対向した状態を示す図で、中央が反応炉の内部構成の一例を概略で示す破断図、横幅方向左側が中央の破断図中に示したＡ－Ａ断面図、横幅方向右側が中央の破断図中に示したＢ－Ｂ断面図である。 本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、基板を保持したサセプタとパージガスノズルとが対向した状態を示す図で、中央が反応炉の内部構成の一例を概略で示す破断図、横幅方向左側が中央の破断図中に示したＣ－Ｃ断面図、横幅方向右側が中央の破断図中に示したＤ－Ｄ断面図である。 本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、第１ガスノズル、第２ガスノズル及びパージガスノズルを各々の噴出口側から見た平面図である。 本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、基板を保持したサセプタ及びサセプタ公転板を基板側から見た平面図で、サセプタが公転及び自転しながら第１の位置、第２の位置、及び第３の位置に移動したときの、基板の位相を示した図である。 本発明の一実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、サセプタ公転板を反応炉の外部側から見た平面図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、実施例で測定した基板上における半導体薄膜の膜厚の測定点と、基板のオリフラとの位置関係を示す平面図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、基板を保持したサセプタを自転させることなく公転で移動させて半導体薄膜を成長させた場合の、図４Ａに示した各測定点における第１の半導体薄膜単独の膜厚、及び、第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜の合計の膜厚を示すグラフと、成膜時の基板の向きを示す位相図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、基板を保持したサセプタを、自転と公転とを同期させながら移動させて半導体薄膜を成長させた場合の、図４Ａに示した各測定点における第１の半導体薄膜単独の膜厚、及び、第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜の合計の膜厚を示すグラフと、成膜時の基板の向きを示す位相図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、実施例で測定した基板上における半導体薄膜の膜厚の測定点と、基板のオリフラとの位置関係を示す平面図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、基板を保持したサセプタを自転させることなく公転で移動させて半導体薄膜を成長させた場合の、図５Ａに示した各測定点における第１の半導体薄膜単独の膜厚、及び、第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜の合計の膜厚を示すグラフと、成膜時の基板の向きを示す位相図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、実施例で測定した基板上における半導体薄膜の膜厚の測定点と、基板のオリフラとの位置関係を示す平面図である。 本発明の気相成長装置の実施例について説明する図であり、基板を保持したサセプタを、自転と公転とを同期させ、第１の位置及び第２の位置を微調整しながら、移動させて半導体薄膜を成長させた場合の、図６Ａに示した各測定点における第１の半導体薄膜単独の膜厚、及び、第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜の合計の膜厚を示すグラフと、成膜時の基板の向きを示す位相図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置について、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｃを適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、その特徴をわかり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態である気相成長装置１００を模式的に説明する図であり、基板８を保持したサセプタ３と第１ガスノズル１０とが対向した状態を示す図で、中央が反応炉１の内部構成の一例を概略で示す破断図、横幅方向左側が中央の破断図中に示したＡ－Ａ断面図、横幅方向右側が中央の破断図中に示したＢ－Ｂ断面図である。
また、図２は、図１に示した気相成長装置１００において、基板８を保持したサセプタ３を移動させ、パージガスノズル３０と対向した状態を示す図で、中央が反応炉１の内部構成を概略で示す破断図、横幅方向左側が中央の破断図中に示したＣ－Ｃ断面図、横幅方向右側が中央の破断図中に示したＤ－Ｄ断面図である。
また、図３Ａは、第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０及びパージガスノズル３０を各々の噴出口１５，２５，３５側から見た平面図である。また、図３Ｂは、基板８を保持したサセプタ３及びサセプタ公転機構４０を構成するサセプタ公転板４１を基板８側から見た平面図で、サセプタ３が公転及び自転しながら第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２及び第３の位置Ｐ３に移動したときの、基板８の位相を示した図である。また、図３Ｃは、サセプタ公転板４１を反応炉１の外部側から見た平面図である。
以下の説明においては、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｃを参照しながら、当該気相成長装置の構成と、基板上に異なる組成の半導体薄膜を連続して形成する場合の工程について詳述する。

＜気相成長装置の構成＞
以下、本実施形態の気相成長装置１００の構成について詳述する。
図１に例示する気相成長装置１００は、金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、基板上に半導体薄膜を成長させるものであり、第１ガスノズル１０と、第２ガスノズル２０と、パージガスノズル３０と、サセプタ３と、該サセプタ３を加熱するサセプタヒータ（加熱手段）３Ａと、サセプタ移動機構４とが設けられた反応炉１を備え、概略構成される。

本実施形態の気相成長装置１００は、上記のサセプタ移動機構４が、サセプタ３を、該サセプタ３の中心軸Ｊ２を中心に自転させるためのサセプタ自転機構５０と、サセプタ自転機構５０が取り付けられて回転自在とされたサセプタ公転板４１を有し、サセプタ公転板４１の中心軸（公転軸）Ｊ１を中心にサセプタ自転機構５０及びサセプタ３を公転させるためのサセプタ公転機構４０とから構成される。

気相成長装置１００は、サセプタ３の中心軸Ｊ２、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０の各々の中心軸ＪＮ１，ＪＮ２が、平面視において、サセプタ公転板４１の中心軸Ｊ１に対応する位置に対して等距離に離間して配置されている。
そして、気相成長装置１００は、サセプタ移動機構４が、サセプタ公転板４１を回転させることでサセプタ自転機構５０及びサセプタ３を公転させることにより、サセプタ３の位置を、第１の位置Ｐ１又は第２の位置Ｐ２に移動させる構成を採用している。

本実施形態の気相成長装置１００によって化合物半導体薄膜が成膜される基板８は、例えば、ＳｉＣ等からなる半導体基板であり、その外周の一部に、基板の結晶方位を示すためのオリフラ（オリエンテーションフラット）８１を有する（図３Ｂを参照）。また、本実施形態では、基板８の裏面側がサセプタ３に保持され、表面８ａ側に化合物半導体薄膜が成膜される。

反応炉１は、図１及び図２に示すように、筒状の側壁１Ａ、並びに、反応炉１内のガス流れ方向で上流側の一端１ａ側に配置されたフランジ部２、及び、ガス流れ方向で下流側の他端１ｂ側に配置されたサセプタ移動機構４により、概略円筒状の密閉容器を形成している。
また、本実施形態の気相成長装置１００においては、反応炉１の内部にパージガスが封入された構成を採用できる。
また、気相成長装置１００に備えられる反応炉１は、各ガスが水平方向に流れる横型炉として構成されている。

フランジ部２は、図１中に示すように、封止板２ａの一面側に、筒状の嵌合部２ｂが突設された構成とされており、この嵌合部２ｂが反応炉１の内部に入り込むことで、フランジ部２が反応炉１に嵌合された状態となる。また、フランジ部２における嵌合部２ｂの外面と反応炉１の内面との間には、Ｏリング等からなるシール部材２ｃが配置されている。

反応炉１内においては、サセプタ移動機構４のサセプタ公転機構４０に備えられるサセプタ公転板４１、及び、このサセプタ公転板４１に回転自在に取り付けられるサセプタ自転軸５１により、基板８が保持されたサセプタ３が支持されている。本実施形態の気相成長装置１００において、サセプタ移動機構４は、反応炉１の下流側フランジとしても機能する。

また、図示例における反応炉１は、側壁１Ａの周囲を取り囲むように配置され、反応炉１内全体を加熱するとともに、詳細を後述する第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０の各々の内部に配置される、第１の金属原料Ｍ１及び第２の金属原料Ｍ２を加熱するためのヒータ１Ｂが設けられている。

ヒータ１Ｂとしては、特に限定されないが、昇降温レートを重視する観点からは、高周波を発生させるＲＦコイルを用いることが好ましいが、ＲＦコイルの代わりに、一般的な発熱部材等からなるヒータを用いることも可能である。このような一般的な構成のヒータを、上記のヒータ１Ｂとして用いる場合には、通常、材質的に安価で加工が容易なカーボンヒータやカンタルヒータ等を用いることが好ましい。

また、図１中に示すように、反応炉１の側壁１Ａにおけるサセプタ移動機構４の近傍には、余剰となった第１の反応ガスＧ１及び第２の反応ガスＧ２、並びにパージガスＧ３等を外部に排出するための排気口６が設けられている。

反応炉１やフランジ部２に用いる材料としては、特に限定されないが、ヒータ１Ｂによる高温加熱に耐えうる各種材料を適宜選定して採用することが可能である。

サセプタ３は、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０等と対向するように配置される保持部３ａに、基板８を保持するものであり、概略円板状で肉厚の部材から構成される。図示例では、サセプタ３は、保持部３ａに基板８の裏面８ｂ側が保持され、表面８ａ上に半導体薄膜を成膜できるように構成されている。

サセプタ３は、通常、熱の良導体（例えば、カーボン等）で形成され、さらに好適には、原料ガス（反応ガス）による腐食を防止する観点から、ＳｉＣ等のコーティングが施される。また、サセプタ３は、気相成長する薄膜の膜厚の平均化を図るため、その中心軸Ｊ２、即ち、図１中に示すサセプタ自転軸５１の中心軸Ｊ２に沿って回転（自転）可能に構成されている。

サセプタ３は、ヒータ１Ｂにより加熱されるが、サセプタ３の内部、あるいはその近傍には、基板８を加熱するサセプタヒータ３Ａが設けられていてもよい。図示例では、サセプタ３の内部にサセプタヒータ３Ａが配置されている。

サセプタヒータ３Ａとしては、特に限定されないが、上述したヒータ１Ｂの場合と同様、昇降温レートを重視する観点から、適宜選択して採用すればよい。あるいは、サセプタヒータ３Ａとして、一般的なヒータやランプ等を用いることも可能であり、上記同様、例えば、材質的に安価で加工が容易なカーボンヒータやカンタルヒータ等を採用することが可能である。

サセプタ３は、詳細を後述するサセプタ移動機構４により、公転及び自転可能に構成されている。サセプタ３は、上記の公転による回転移動により、第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０及びパージガスノズル３０とそれぞれ対応する位置、即ち、第１～第３の位置Ｐ１～Ｐ３に移動することが可能な構成とされている。

反応炉１内には、上流側のフランジ部２を貫通するように、このフランジ部２によって支持される第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０が配置されている。これら第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０は、フランジ部２を平面したとき、サセプタ移動機構４によって移動するサセプタ３の公転軌道上に配置されている。

第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０としては、例えば、石英製のものが好適に用いられる。

第１ガスノズル１０は、フランジ部２を貫通し、反応炉１内に噴出口１５が配置されるように設けられる。第１ガスノズル１０は、内部に第１の金属原料Ｍ１が配置され、この第１の金属原料Ｍ１にハロゲンガスＧ４を供給することで生成した、例えば、金属塩化物からなる第１の反応ガスＧ１を、噴出口１５から基板８上に導くように構成される。

第１ガスノズル１０は、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、内部に、第１の金属原料Ｍ１が充填されるボート１１が配置されている。また、第１ガスノズル１０の内部には、ガス原料導入部１３、ハロゲンガス導入部１４が設けられ、ガス原料導入部１３の円筒内にハロゲンガス導入部１４が配置されている。また、ハロゲンガス導入部１４の円筒内にボート１１が配置されている。

ガス原料導入部１３は、反応炉１におけるフランジ部２側から導入されるガス原料Ｇ５を、噴出口１５側から、サセプタ３に保持された基板８の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。また、図１等においては図示を省略しているが、ガス原料として、窒素、酸素、アルシン又はホスフィン等、常温下において気体のガス原料を用い、組成の異なる膜を得るために、例えば、２種類以上の原料ガスを所定の流量比で混合したり、さらに、ドーピング原料を混合して供給したりする場合もある。

ハロゲンガス導入部１４は、反応炉１におけるフランジ部２側から導入されるハロゲンガスＧ４を第１の金属原料Ｍ１に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第１の反応ガスＧ１として、噴出口１５側から、ガス原料導入部１３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ３に保持された基板８の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。

ボート１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としては、特に限定されず、所望する膜特性に応じた金属原料を採用することができ、例えば、ガリウム、アルミニウム又はインジウム等の単体金属等が挙げられる。また、図１等においては図示を省略しているが、例えば、２種類以上の金属原料を各々のボートに充填し、それぞれ独立して所望のハロゲンガスＧ４を供給して下流側で合流させ、所望の比率の合金用原料として噴出口１５から噴出させることも可能である。

第２ガスノズル２０は、第１ガスノズル１０と同様、フランジ部２を貫通し、反応炉１内に噴出口２５が配置されるように設けられる。第２ガスノズル２０は、内部に第２の金属原料Ｍ２が配置され、この第２の金属原料Ｍ２にハロゲンガスＧ４を供給することで生成した、例えば、金属塩化物からなる第２の反応ガスＧ２を、噴出口２５から基板８上に導くように構成される。

第２ガスノズル２０についても、第１ガスノズル１０と同様、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、内部に、第２の金属原料Ｍ２が充填されるボート２１が配置されている。また、第２ガスノズル２０の内部にも、ガス原料導入部２３、ハロゲンガス導入部２４が設けられ、ガス原料導入部２３の円筒内にハロゲンガス導入部２４が配置されている。また、ハロゲンガス導入部２４の円筒内にボート２１が配置されている。

ガス原料導入部２３は、上記のガス原料導入部１３と同様、反応炉１におけるフランジ部２側から導入されるガス原料Ｇ５を、噴出口２５側から、サセプタ３に保持された基板８の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。
また、ハロゲンガス導入部２４も、上記同様、反応炉１におけるフランジ部２側から導入されるハロゲンガスＧ４を第２の金属原料Ｍ２に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第２の反応ガスＧ２として、噴出口２５側から、ガス原料導入部２３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ３に保持された基板８の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。

ボート２１に充填される第２の金属原料Ｍ２としても、特に限定されず、第１の金属原料Ｍ１と同様、例えば、ガリウム、アルミニウム又はインジウム等の単体金属等が挙げられる。一方、例えば、第１ガスノズル１０のボート１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としてガリウム単体金属を用いた場合には、第２の金属原料Ｍ２として、インジウム単体金属、又は、第１の金属原料Ｍ１と同じガリウム単体金属を用いる組み合わせを採用できる。また、２種類以上の金属原料を各々のボートに充填し、それぞれ独立して所望のハロゲンガスＧ４を供給して下流側で合流させ、所望の比率の合金用原料として噴出口１５から噴出させることについても、第１ガスノズル１０の場合と同様である。

図１に示す例においては、上記のサセプタ３の中心軸Ｊ２、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０の各々の中心軸ＪＮ１，ＪＮ２が、平面視において、サセプタ公転板４１の中心軸Ｊ１に対応する位置に対して、平面視で等距離となるように離間して配置されている。

上記構成により、本実施形態の気相成長装置１００によれば、第１ガスノズル１０が、基板８上に、例えば、ハイドライド気相成長法によって図視略の第１の半導体薄膜（化合物半導体薄膜）を成長させる。同様に、第２ガスノズル２０は、上記の第１の半導体薄膜上に、例えば、ハイドライド気相成長法によって図視略の第２の半導体薄膜（化合物半導体薄膜）を成長させる。本実施形態の気相成長装置１００によって成膜される第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜は、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、及びＩｎ_２Ｏ_３のうちの何れか、あるいは、それらの混晶、さらには、Ｐ型、Ｎ型のドーピング剤が混入された化合物半導体薄膜である。

パージガスノズル３０は、反応炉１内において、第１ガスノズル１０と第２ガスノズル２０との間に配置され、噴出口３５から基板８上にパージガスＧ３を導くように構成される。図１中に示す例においては、パージガスノズル３０は、フランジ部２を平面したときに、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０に対し、鉛直方向（図１における縦長方向）で上側に配置されるとともに、水平方向（図１における横幅方向）で、第１ガスノズル１０と第２ガスノズル２０との中間に対応する位置で配置される。これにより、図示例においては、第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０が、平面視でパージガスノズル３０を頂点とした二等辺三角形を描くように配置されている。

パージガスノズル３０も、上述した第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０と同様、図１中では詳細な図示を省略しているが、概略円筒状に構成され、反応炉１におけるフランジ部２側、即ち、パージガス導入部３３側から導入されるパージガスＧ３を、噴出口３５側から、サセプタ３に保持された基板８の表面に向けて導くことが可能な構成とされている。また、高温下においては、Ｖ族、ＶＩ族側の原料ガスは膜から蒸発してしまうことから、所定の原料ガスをパージガスとともに供給するか、あるいは、これらを混合して供給する。

なお、本実施形態において説明する、上記の「円筒状」とは、例えば、その断面における内部空間の形状が、断面真円形状に近いものの他、楕円形状等、断面形状が概略円形状であるものを全て含む。
さらに、本実施形態においては、上記の第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０の形状は、円筒状のみに限定されるものではなく、例えば、角筒状等、他の断面形状を採用することも可能である。

サセプタ移動機構４は、図１及び図２に示すように、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０に対するサセプタ３の位置を、第１ガスノズル１０における第１の反応ガスＧ１の噴出口１５と互いに向かい合う第１の位置Ｐ１と、第２ガスノズル２０における第２の反応ガスＧ２の噴出口２５と互いに向かい合う第２の位置Ｐ２との間で切り替え可能に構成されている。
また、本実施形態の気相成長装置１００に備えられるサセプタ移動機構４は、サセプタ３の位置を、さらに、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に位置し、パージガスノズル３０におけるパージガスＧ３の噴出口３５と互いに向かい合う第３の位置Ｐ３にも切り替え可能な構成を採用している。

サセプタ移動機構４は、上述したように、サセプタ３を、該サセプタ３の中心軸Ｊ２を中心に自転させるためのサセプタ自転機構５０と、サセプタ自転機構５０が取り付けられて回転自在とされたサセプタ公転板４１を有し、サセプタ公転板４１の中心軸Ｊ１を中心にサセプタ自転機構５０及びサセプタ３を公転させるためのサセプタ公転機構４０とからなる。

サセプタ移動機構４は、上記構成により、まず、サセプタ公転機構４０に備えられるサセプタ公転板４１を回転させることでサセプタ自転機構５０及びサセプタ３を公転させることで、サセプタ３の位置を、第１の位置Ｐ１又は第２の位置Ｐ２、さらには、第３の位置Ｐ３に移動させる。
さらに、サセプタ移動機構４は、サセプタ自転機構５０を、中心軸Ｊ２を中心に回転させることにより、基板８を保持したサセプタ３を自転させるように構成されている。

サセプタ公転機構４０は、上述したサセプタ公転板４１と、公転用モータ４２と、公転用磁気シールユニット４３とから概略構成される。
サセプタ公転板４１は、上述したように、サセプタ自転機構５０を構成するサセプタ自転軸５１が取り付けられており、サセプタ公転板４１を平面視したとき、サセプタ自転軸５１が、中心軸Ｊ１に対して所定の距離で偏心した位置に取り付けられている。これにより、サセプタ自転軸５１及び該サセプタ自転軸５１の先端に取り付けられたサセプタ３が、サセプタ公転板４１の回転に伴い、中心軸Ｊ１に対して偏心した軌道を描きながら公転する。また、図示例のサセプタ公転板４１には貫通孔４１ｃが設けられており、この貫通孔４１ｃにサセプタ自転軸５１が取り付けられている。

公転用モータ４２は、サセプタ公転板４１を回転させるものであり、図示例では、回転軸４２ａの先端にピニオン歯車４２ｂが取り付けられている。このピニオン歯車４２ｂが、サセプタ公転板４１の外周部４１ｂに設けられた図示略の歯車と噛み合わせられることにより、公転用モータ４２の回転に伴ってサセプタ公転板４１が回転する。
公転用モータ４２としては、特に限定されないが、サセプタ公転板４１の回転位相や回転速度を正確に調整することを考慮し、例えば、ステッピングモータを用いることができる。

公転用磁気シールユニット４３は、サセプタ公転板４１と反応炉１との間を気密にシールするものであり、反応炉１の気密性を高めるために設けられる。
図示例の公転用磁気シールユニット４３は、反応炉１の他端１ｂに取り付けられる取付フランジ部４３ａと、この取付フランジ部４３ａの一面側に突設された嵌合部４３ｂとを有する。この嵌合部４３ｂが反応炉１の内部に入り込むことで、取付フランジ部４３ａ及び嵌合部４３ｂが反応炉１に嵌合された状態となる。また、嵌合部４３ｂの外面と、反応炉１との間には、上述したフランジ部２の場合と同様、Ｏリング等からなるシール部材４３ｃが配置されている。

また、公転用磁気シールユニット４３の嵌合部４３ｂと、サセプタ公転板４１の内筒部４１ａとの間には、シール剤として機能する磁性流体が収容されている。これにより、公転用磁気シールユニット４３は、サセプタ公転板４１と反応炉１との間を、回転摺動可能な状態で気密にシールする。

サセプタ公転機構４０を構成する、シール部材４３ｃ及び磁性流体４３ｄ以外の各部材の材質は、特に限定されないが、反応炉１と同様、耐熱性に優れた材料、例えば、従来からこの分野で用いられている金属材料等を何ら制限無く用いることができる。
また、磁性流体４３ｄとしても、特に限定されず、従来から真空容器等の密閉に用いられているような、磁性微粒子、界面活性剤、及び、水や油等のベース液からなる溶液を何ら制限無く用いることが可能である。

本実施形態においては、公転用モータ４２からサセプタ公転板４１への回転力の伝達を、歯車を用いた例で説明しているが、本発明の気相成長装置は、このような構成に限定されるものではない。公転用モータ４２によってサセプタ公転板４１を回転させる手段としては、上記の歯車の他、例えば、プーリとベルトとを組み合わせた手段や、スプロケットとチェーンとを組み合わせた手段等につても、適宜採用することができる。

サセプタ自転機構５０は、上記のサセプタ自転軸５１と、自転用モータ５２と、自転用磁気シールドユニット５３とから構成される。
サセプタ自転軸５１は、上述したように、サセプタ３を、中心軸Ｊ２を中心に回転させるものであり、一端５１ａ側にサセプタ３が取り付けられるとともに、他端５１ｂ側が自転用モータ５２の回転軸５２ａに接続されている。

自転用モータ５２は、上記のように、回転軸５２ａの先端にサセプタ自転軸５１が取り付けられていることで、このサセプタ自転軸５１を回転させることにより、一端５１ａに取り付けられたサセプタ３を回転（自転）させる。
自転用モータ５２としても、特に限定されないが、サセプタ３の回転位相や回転速度を正確に調整することを考慮し、公転用モータ４２の場合と同様、例えば、ステッピングモータを用いることができる。

自転用磁気シールユニット５３は、サセプタ自転軸５１と、これが取り付けられるサセプタ公転板４１との間を気密にシールするものであり、公転用磁気シールユニット４３の場合と同様、反応炉１の気密性を高めるために設けられる。
図示例の自転用磁気シールユニット５３は、サセプタ公転板４１に設けられた貫通孔４１ｃに配置された外筒部５３ａ及び内筒部５３ｂを有し、これら外筒部５３ａと内筒部５３ｂとの間に磁性流体５３ｃが収容されている。
そして、内筒部５３ｂの内部を貫通するようにサセプタ自転軸５１の他端５１ｂが挿入されることで、サセプタ自転軸５１と内筒部５３ｂとが、共に回転可能に内嵌め固定されている。
これにより、自転用磁気シールユニット５３は、サセプタ公転板４１とサセプタ自転軸５１との間を、回転摺動可能な状態で気密にシールする。

サセプタ自転機構５０を構成する磁性流体５３ｃ以外の各部材の材質は、特に限定されないが、サセプタ公転機構４０を構成するシール部材４３ｃ及び磁性流体４３ｄ以外の各部材と同様、耐熱性に優れた金属材料等を何ら制限無く用いることができる。
また、磁性流体５３ｃとしても、上述した磁性流体４３ｄと同様、特に限定されず、従来から真空容器等の密閉に用いられているような、磁性微粒子、界面活性剤、及び、水や油等のベース液からなる溶液を何ら制限無く用いることが可能である。

気相成長装置１００に備えられるサセプタ移動機構４は、上記のような、公転用磁気シールユニット４３及び自転用磁気シールユニット５３による独立した２重の磁気シールユニットを備えた構成を採用することで、反応炉１内を効果的に気密に保つことができる。より詳細には、本実施形態の気相成長装置１００は、大気側、即ち反応炉１の外部側に動力源である公転用モータ４２及び自転用モータ５２を設置し、反応炉１の外部から内部に回転力を導入するにあたり、上記の独立した２重の磁気シールユニットを備える。これにより、反応炉１内の気密性を確実に維持しながら、基板８を保持したサセプタ３を、公転における位置制御、並びに、自転における回転速度制御を、全て独立して行うことが可能となる。

本実施形態においては、サセプタ移動機構４が、サセプタ３の公転と自転とを同期させながら該サセプタ３を回転させるとともに、サセプタ３に保持された基板８を平面視したときの公転方向と自転方向とが逆方向であり、且つ、公転周期と自転周期とが同一となるように、公転用モータ４２及び自転用モータ５２を制御することが好ましい（図３Ｃを参照）。また、サセプタ３が、第１の位置Ｐ１及び第２の位置Ｐ２の何れの位置においても、サセプタ３に保持された基板８の平面視における位相が同じであるモードを有するように、公転用モータ４２及び自転用モータ５２を制御することがより好ましい（図３Ｂを参照）。

より詳細に説明すると、図３Ａに示すような配置とされた、第１ガスノズル１０、第２ガスノズル２０、及びパージガスノズル３０に対し、図３Ｂ中に示すように、サセプタ３に保持された基板８のオリフラ（オリエンテーションフラット）８１が、どの位置においても所定の位置を向くように制御する。即ち、図３Ｂに示す例では、サセプタ３に保持された基板８のオリフラ（オリエンテーションフラット）８１が、第１の位置Ｐ１、第２の位置Ｐ２、及び第３の位置Ｐ３の各々において、全て、鉛直下方を向くように制御されている。この際、図３Ｃに示すように、基板８を保持したサセプタ３は、公転と自転とで同期しながら回転するとともに、サセプタ３に保持された基板８を平面視したときの公転方向と自転方向とが逆方向となるように、サセプタ移動機構４を制御する。

サセプタ移動機構４によるサセプタ３の公転と自転とを、上記のような関係となるように制御することにより、半導体薄膜を、基板８の位相に対して、偏り無く均一に成長させることができる。これにより、基板８上に、第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜との層間の界面の急峻性を有した化合物半導体薄膜を均一に成長させることが可能になる。

なお、本実施形態の気相成長装置１００で用いる、ハロゲンガスＧ４及びガス原料Ｇ５のガス種としては、特に限定されず、従来からこの分野で用いられているガスを何ら制限無く用いることが可能である。
これらのうち、ハロゲンガス導入部１４，２４に導入するハロゲンガスＧ４としては、例えば、塩素ガス又は塩化水素ガス等を用いることができる。
また、ガス原料導入部１３，２３に導入するガス原料Ｇ５としては、例えば、アンモニアガス（ＮＨ_３）やアルシンガス（ＡｓＨ_３）、ホスフィンガス（ＰＨ_３）や酸素ガス（Ｏ_２）等のＶ族又はＶＩ族のガスを用いることができる。このようなガス原料Ｇ５は、例えば、気相成長装置１００における別の場所で共通化して生成したうえで、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０における最外周側に配置された多重管構造からなるガス原料導入部１３，２３に導入すればよい。

また、本実施形態の気相成長装置１００では、第１ガスノズル１０側のハロゲンガス導入部１４に導入されるハロゲンガスと、第２ガスノズル２０側のハロゲンガス導入部２４に導入されるハロゲンガスとを、それぞれ異なるガス種とすることも可能である。
さらに、本実施形態では、第１ガスノズル１０側のガス原料導入部１３に導入されるガス原料と、第２ガスノズル２０側のガス原料導入部２３に導入されるガス原料とを、それぞれ異なるガス種とすることも可能である。この場合、例えば、ガス原料導入部１３に導入されるガス原料Ｇ５としてアルシンガスを用い、ガス原料導入部２３に導入されるガス原料Ｇ５としてホスフィンガスを用いることができる。

さらに、本実施形態の気相成長装置１００で用いるパージガスＧ３のガス種としても、に限定されず、例えば、窒素ガス等、基板８上の残留成分を効果的に除去可能なガスを何ら制限無く採用することができる。

また、本実施形態においては、例えば、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０の内部に第１の金属原料Ｍ１又は第２の金属原料Ｍ２を配置することなく、予め所望の組成比で生成された第１の反応ガスＧ１及び第２の反応ガスＧ２を、第１ガスノズル１０又は第２ガスノズル２０の直接供給し、成膜に供する構成を採用してもよい。

また、本実施形態の気相成長装置１００では、第１ガスノズル１０から基板８に向けて供給する第１の反応ガスＧ１、及び、第２ガスノズル２０から基板８に向けて供給する第２の反応ガスＧ２を、それぞれ、キャリアガスに同伴させて供給する構成を採用してもよい。

本実施形態においては、上述したような、第１ガスノズル１０と、第２ガスノズル２０と、サセプタ３の位置を切り替えるサセプタ移動機構４とを備え、基板８上に複数の膜種の半導体薄膜を成長させる構成において、サセプタ移動機構４が、サセプタ公転板４１を回転させることでサセプタ自転機構５０及びサセプタ３を公転させることで、サセプタ３の位置を、第１の位置Ｐ１又は第２の位置Ｐ２に移動させる構成を採用している。本実施形態の気相成長装置１００によれば、上述した構成を採用することで、以下に説明するような作用・効果が得られる。

本実施形態によれば、各ノズルに対応した位置の間におけるサセプタ３の移動をサセプタ公転機構４０による公転で行い、公転軸であるサセプタ公転板４１の中心軸Ｊ１に対応する位置に対して、サセプタ３の中心軸Ｊ２、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０の各中心軸ＪＮ１，ＪＮ２が、平面視で等距離に離間して配置され、さらに、サセプタ公転機構４０及びサセプタ自転機構５０の両方に磁気シールユニットを備えた構成を採用できる。これにより、炉内の気密性を保持しつつ、簡便な構成で、サセプタ３の位置を、各ノズルに対応した位置、又は所望する位置に移動することが可能になる。

また、反応炉１内における炉中心からの相対的な位置は等しいので、反応炉１の側壁１Ａの外周側に設置しているヒータ１Ｂからの熱の影響や、各ノズルの間を流れるパージガスによる相対的影響を無視することができる。
さらに、第１ガスノズル１０と第２ガスノズル２０との間に、パージガスを噴出するパージガスノズル３０を設けることにより、各半導体薄膜間における界面の急峻性が上昇するので、得られるデバイスの特性が向上する効果が得られる。

また、本実施形態の気相成長装置１００のような反応炉１を有する横型炉においては、相対的な重力の影響により、パージガスよりも重い塩化物原料からなる反応ガスは、反応炉１の下方に向かって流れる傾向がある。このため、基板８を保持したサセプタ３の自転を停止した状態で成膜した場合、一般に、基板８の表面８ａにおける鉛直下方側の位置の膜厚が厚くなる。これに対し、サセプタ３を自転させることで、基板８上における膜厚分布を均一することができるとともに、各ノズルとサセプタ３との相対位置を調整することで、膜厚の均一化を図ることも可能となる。この場合、各ノズルはフランジ部２に固定されていることから、サセプタ３を公転軌道上でずらして移動させることになる。そして、１回の成膜毎に、上記の相対位置をずらしながら回転を停止して薄膜成長を行う。ここで、第１ガスノズル１０に対応した第１の位置Ｐ１で相対位置を調整すると、公転軌道上における移動となることから、基板８の回転位相にずれが生じる。その後、第２ガスノズル２０に対応する第２の位置Ｐ２についても同時に調整を行う場合、公転軌道上において、例えば、第１ガスノズル１０から位相が１８０°ずれた位置に第２ガスノズル２０が配置されていると、移動後の回転位相がほぼ１８０°ずれることから、成膜後の膜厚測定時に混乱が生じる。しかしながら、公転位相と自転位相を同期させ、基板８の回転位相が常に揃っている状態で成膜した場合には、基板８における鉛直下方側の位置の膜厚が常に厚い状態となるので、膜厚分布をより簡便且つ正確に把握でき、上述した相対位置の調整が容易になる。

＜気相成長装置を用いた半導体の製膜プロセス＞
上記構成の気相成長装置１００を用いた、半導体の製膜プロセスの一例について、図１及び図２を参照しながら、以下に説明する。

まず、第１ガスノズル１０内のボート１１に第１の金属原料Ｍ１を充填するとともに、第２ガスノズル２０内のボート２１に第２の金属原料Ｍ２を充填する。
また、図１に示すように、サセプタ移動機構４により、基板８を保持したサセプタ３を、第１ガスノズル１０の噴出口１５と互いに向かい合う第１の位置Ｐ１にセットする。この際、サセプタ公転機構４０に備えられるサセプタ公転板４１を所定角度で回転させることにより、サセプタ３を第１の位置Ｐ１にセットする。

次いで、反応炉１におけるフランジ部２側から、第１ガスノズル１０内のガス原料導入部１３にガス原料Ｇ５を導入するとともに、ハロゲンガス導入部１４にハロゲンガスＧ４を導入する。これにより、第１ガスノズル１０は、ハロゲンガスＧ４を第１の金属原料Ｍ１に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第１の反応ガスＧ１として、噴出口１５側から、ガス原料導入部１３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ３に保持された基板８の表面８ａに向けて導く。

この際、基板８上に到達した第１の反応ガスＧ１は、ヒータ１Ｂ又はサセプタ３に設けられたサセプタヒータ３Ａの作用により、基板８の表面８ａで熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ３の自転に伴って回転する基板８上に堆積して膜形成が行われる。
これにより、基板８の表面８ａに、図視略の第１の半導体薄膜を成長させる。

次に、図２に示すように、サセプタ公転機構４０に備えられるサセプタ公転板４１を所定角度で回転させることにより、基板８を保持したサセプタ３を、パージガスノズル３０の噴出口３５と互いに向かい合う第３の位置Ｐ３に移動させる。
次いで、パージガスノズル３０の噴出口３５から、基板８の表面、即ち、基板８上に形成された第１の半導体薄膜に向けてパージガスＧ３を供給することにより、基板８及び第１の半導体層の表面に存在する、第１の反応ガスＧ１に由来する残留成分を除去する。

次に、図１に示すように、サセプタ公転機構４０に備えられるサセプタ公転板４１を、さらに所定角度で回転させることにより、基板８を保持したサセプタ３を、第２ガスノズル２０の噴出口２５と互いに向かい合う第２の位置Ｐ２に移動させる。
次いで、反応炉１におけるフランジ部２側から、第２ガスノズル２０内のガス原料導入部２３にガス原料Ｇ５を導入するとともに、ハロゲンガス導入部２４にハロゲンガスＧ４を導入する。これにより、第２ガスノズル２０は、ハロゲンガスＧ４を第２の金属原料Ｍ２に供給して反応させ、金属ハロゲン化物からなる第２の反応ガスＧ２として、噴出口２５側から、ガス原料導入部２３に導入されたガス原料Ｇ５とともに、サセプタ３に保持されて自転する基板８の表面、即ち、第１の半導体薄膜上に向けて導く。

この際、基板８上に形成された第１の半導体薄膜上に到達した第２の反応ガスＧ２は、上述した第１の反応ガスＧ１の場合と同様、ヒータ１Ｂ又はサセプタ３に設けられたサセプタヒータ３Ａの作用により、第１の半導体薄膜の表面で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ３の回転に伴って回転する基板８上の第１の半導体薄膜の表面に堆積して膜形成が行われる。
これにより、基板８の表面８ａに形成された第１の半導体薄膜上に、図視略の第２の半導体薄膜を成長させる。

なお、反応炉１内における、残余の第１の反応ガスＧ１、第２の反応ガスＧ２、及びパージガスＧ３は、排気口６から外部に排出され、必要とされる除害処理等を施したうえで、工程で再利用されるか、あるいは、大気中に放出される。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の気相成長装置１００によれば、上記のように、第１の反応ガスＧ１を基板８上に導く第１ガスノズル１０、及び、第２の反応ガスＧ２を基板８上に導く第２ガスノズル２０に対し、基板８を保持するサセプタ３の位置を切り替えるサセプタ移動機構４が、基板８を保持したサセプタ３を公転させることで第１ガスノズル１０又は第２ガスノズル２０に対向する位置に移動させるためのサセプタ公転板４１を備えたサセプタ公転機構４０と、基板８を保持したサセプタ３を自転させるサセプタ自転機構５０と、を有した構成を採用している。
上記のサセプタ公転機構４０を有することにより、まず、サセプタ公転板４１によって反応炉１内の気密性を保持しながら、サセプタ３を公転で移動させることで、サセプタ３に保持された基板８が、第１ガスノズル１０又は第２ガスノズル２０に対して正確な位置で対向するように移動する。これにより、第１の反応ガスＧ１及び第２の反応ガスＧ２が効率よく基板８上に供給されるので、薄膜中に不純物等が混入することなく半導体薄膜を成長させることができる。
また、上記のサセプタ自転機構５０を有することにより、基板８上に均一な厚さで半導体薄膜を成長させることができる。
従って、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能になる。

＜気相成長装置のその他の形態＞
以上、実施形態により、本発明に係る気相成長装置の一例を説明したが、本発明に係る気相成長装置は、上述したような、図１に示す例の気相成長装置１００の構成に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

例えば、第１ガスノズル１０が、第２ガスノズル２０によって成長させた第２の半導体薄膜上に、さらに、第１の半導体薄膜を成長させるように、サセプタ移動機構４を制御してもよい。さらに、第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０が、第１の半導体薄膜と第２の半導体薄膜とを交互に積層しながら成長させるように、サセプタ移動機構４を制御してもよい。

また、例えば、第１ガスノズル又は第２ガスノズルのうちの一方又は両方が、内部に複数の金属原料が配置され、この複数の金属原料とハロゲンガスとから生成される反応ガスを基板上に導く構成を採用してもよい。この場合、例えば、まず、第１ガスノズルを用いて基板上に第１の半導体膜を成長させ、その後、第２ガスノズルを用いて第２の半導体膜を成長させている間に、第１ノズル内の複数の金属原料に供給されるハロゲンガスの流量を個別に変化させておく。これにより、基板上に第１の半導体膜と第２の半導体膜とを積層して成長させた後、再び、第１ガスノズルに対向する位置で、第２の半導体膜上に第３の半導体膜を成長することが可能となる。その後、同様に、第２ガスノズルに対向する位置に基板を移動させ、第３の半導体膜上に第４の半導体膜を成長することが可能であり、最終的には、所望のデバイス構造を無限に選択しながら、半導体膜を成長させることが可能である。

また、本実施形態においては、基板８の表面が水平方向を向くように、サセプタ３に基板８を保持させ、この状態で半導体薄膜を成長させる構成とされた、横型炉の反応炉１を有する気相成長装置１００を例に挙げて説明しているが、本発明の気相成長装置は、このような構成には限定されない。本発明のような、基板８が保持されたサセプタ３を公転及び自転させる構成は、例えば、基板８の表面が鉛直上方を向くように、サセプタ３に基板８を保持させ、この状態で半導体薄膜を成長させる構成にも適用可能なものである。
但し、基板８や半導体薄膜の表面へのゴミ等の付着防止の観点からは、図１及び図２に示す気相成長装置１００のように、基板８の表面が水平方向を向くように、サセプタ３に基板８を保持させ、この状態で半導体薄膜を成長させる構成を採用することが好ましい。

以下、実施例により、本発明に係る気相成長装置についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

＜半導体薄膜の気相成長条件及び手順＞
本実施例においては、図１及び図２に示すような、本発明に係る構成を備えた気相成長装置１００を使用して、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物半導体薄膜を製膜するとともに、ＧａＮ系化合物半導体薄膜の膜厚の均一性を調整する実験を行った。
この際、気相成長装置１００における、第１ガスノズル１０のボート１１に充填される第１の金属原料Ｍ１としてガリウム単体金属を用いた。また、図１及び図２では図示を省略しているが、第２ガスノズル２０として、ボート２１を２個有しているものと準備し、一方のボート２１に充填される第２の金属原料Ｍ２として、第１の金属原料Ｍ１と同じガリウム単体からなる金属原料を用い、他方のボート２１に充填される第２の金属原料Ｍ２として、アルミニウム単体からなる金属原料を用いた。

そして、反応炉１の外部から、ヒータ１Ｂによって第１ガスノズル１０及び第２ガスノズル２０を加熱し、第１の金属原料Ｍ１の近傍の温度を約８００℃、第２の金属原料Ｍ２２の近傍の温度を約８００℃、基板８の近傍の温度を約１０００℃に保持した。
この際、基板８は、サセプタ３の保持部３ａに、オリフラ８１が鉛直下方側に入りされるように保持させた。

次いで、第１ガスノズル１０において、ガス原料導入部１３からガス原料Ｇ５としてＶ族のアンモニアガスを、ハロゲンガス導入部１４からハロゲンガスＧ４として塩化水素ガスを導入し、第１の金属原料Ｍ１をなすガリウム単体金属と塩化水素ガスとを反応させ、塩化ガリウムの状態とした第１の反応ガスＧ１を生成させた。そして、第１の反応ガスＧ１である塩化ガリウムを、ガス原料Ｇ５であるＶ族のアンモニアガスとともに基板８の表面８ａに供給し、窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜からなる第１の半導体薄膜を成長させた。

次いで、サセプタ移動機構４を作動させ、図２に示すように、基板８を保持したサセプタ３を、パージガスノズル３０に対応した第３の位置Ｐ３に移動させた。この際、サセプタ公転機構４０による公転位相と、サセプタ自転機構５０による自転位相とを同期させることにより、基板８のオリフラ８１が鉛直下方側に配置されるように調整した。具体的には、図示略の制御装置におけるプログラムにより、ステッピングモータからなる、サセプタ公転機構４０の公転用モータ４２、及び、サセプタ自転機構５０の自転用モータ５２に対し、基板８のオリフラ８１が鉛直下方側に配置されるのに想到するステップ数を自動入力した。
そして、パージガスノズル３０にパージガスＧ３として窒素ガス及びアンモニアガスを導入し、これらのガスを基板８上に形成された第１の半導体薄膜上に供給した。

次いで、サセプタ移動機構４のサセプタ公転機構４０を作動させ、図１に示すように、基板８を保持したサセプタ３を、第２ガスノズル２０に対応した第２の位置Ｐ２に移動させた。この際も、第１の位置Ｐ１の場合と同様、基板８のオリフラ８１が鉛直下方側に配置されるように調整した。
その後、ガス原料導入部２３からガス原料Ｇ５としてＶ族のアンモニアガスを、ハロゲンガス導入部２４に、ハロゲンガスＧ４として塩化水素ガスを導入し、一方の第２の金属原料Ｍ２２であるガリウム単体金属、及び、他方の第２の金属原料Ｍ２２であるアルミニウム単体金属と反応させ、塩化インジウム及び塩化ガリウムからなる第２の反応ガスＧ２１を生成させた。
そして、第２の反応ガスである塩化ガリウム及び塩化アルミニウムを、ガス原料Ｇ５であるＶ族のアンモニアガスとともに、基板８上に形成された第１の半導体薄膜の表面に供給し、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）薄膜からなる第２の半導体薄膜を成長させて積層した。

その後、反応炉１内にアンモニアガスを導入しながら基板８及びサセプタ３を冷却し、常温まで下がったところでサセプタ３を第３の位置Ｐ３まで移動させ、基板８に向けてパージガスノズル３０からパージガスＧ３を噴出させた後、サセプタ３から基板８を取り外して反応炉１の外部に搬出した。
そして、基板８のオリフラ８１の位置で、半導体薄膜が成膜された基板８を正確に半分に分割して、その断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察し、図４Ａに示す各位置で膜厚を測定し、各位置における膜厚測定結果を図４Ｃのグラフに示した。図４Ａの各測定位置に示すように、本例では、オリフラ８１と直交するラインで基板８を分割した。また、図４Ｃには、基板のオリフラの成膜時の位置（向き）についても併せて示した。

図４Ｃのグラフに示すように、第１の半導体薄膜であるＧａＮ薄膜、及び、第２の半導体薄膜であるＡｌＧａＮ薄膜ともに、オリフラ８１側が肉厚となり、その反対側が薄肉となった。両者ともにオリフラ側が肉厚となり、特に、ＡｌＧａＮ薄膜における膜厚分布で顕著であった。

また、本例では、上記同様の手順及び条件で、基板８を保持したサセプタ３を自転させることなく公転のみで半導体薄膜を成膜する実験を行い、その結果を図４Ｂのグラフに示した。また、図４Ｂには、基板のオリフラの成膜時の位置についても併せて示した。この場合、パージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３において、オリフラ８１が鉛直下方側に位置するような位相であったため、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とでは、基板８に１８０°の位相のずれが生じ、オリフラ８１が鉛直方向に沿った配置になる。このため、図４Ａの各測定位置に示すように、オリフラ８１と直交するラインで基板８を分割した場合、それぞれの位置における水平方向の膜厚分布が見えるのみであり、本例において目的とする必要な情報は得られない（比較例）。

そこで、本例においては、さらに、第１ガスノズル１０に対応した第１の位置Ｐ１、及び、第２ガスノズル２０に対応した第２の位置Ｐ２において、サセプタ３の位置を適宜延長下方側に移動させて調整し、再度、上記と同様の手順及び条件で、基板８上に第１の半導体薄膜及び第２の半導体薄膜を成長させた。この際、第２の位置Ｐ２は、第１の位置Ｐ１よりもさらに下方側に位置するよう調整した。そして、上記同様、基板８のオリフラ８１の位置で、半導体薄膜が成膜された基板８を正確に半分に分割して、その断面をＳＥＭで観察し、図６Ａに示す各位置で膜厚を測定し、各位置における膜厚測定結果を図６Ｂのグラフに示した。図６Ａの各測定位置に示すように、本例でも、オリフラ８１と直交するラインで基板８を分割した。また、図６Ｂには、基板のオリフラの成膜時の位置（向き）についても併せて示した。
この結果、図６Ｂに示すように、第１の半導体薄膜であるＧａＮ薄膜、及び、第２の半導体薄膜であるＡｌＧａＮ薄膜ともに、全体的に膜厚が均一となり、膜厚分布が緩やかな結果となった。
また、上記のＧａＮ薄膜及びＡｌＧａＮ薄膜を成膜する手順を数回繰り返し、次いで、その位置で基板を自転させながら、上記同様に半導体薄膜の成長を行った場合、ＧａＮ薄膜及びＡｌＧａＮ薄膜の何れも、膜厚のばらつきが±数％程度であり、均一性に優れた半導体薄膜が得られることが確認できた（本発明例）。

一方、本例においては、さらに、基板８を保持したサセプタ３を自転させなかった点を除き、上記同様の手順及び条件で半導体薄膜を基板８上に成膜するとともに、図５Ａに示すように、オリフラ８１と平行なラインで基板を分割して、各位置で膜厚を測定する実験を行い、この結果を図５Ｂのグラフに示した。また、図５Ｂには、基板のオリフラの成膜時の位置（向き）についても併せて示した。

図５Ｂのグラフに示す結果においては、パージガスノズル３０に対応する第３の位置Ｐ３において、オリフラ８１が鉛直下方側に位置するような位相であったため、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とでは、基板８に１８０°の位相のずれが生じ、オリフラ８１が鉛直方向に沿った配置になる。このため、第１の半導体薄膜であるＧａＮ薄膜と、第２の半導体薄膜であるＡｌＧａＮ薄膜とで、膜厚分布が逆転しており、調整し難いことがわかる（比較例）。

以上説明したような実施例の結果より、基板を保持したサセプタを公転及び自転させることが可能なサセプタ移動機構を備えた気相成長装置を用いることで、基板上に異なる組成の半導体薄膜を連続して成長させる際、基板がノズルと正確な位置で対向するようにサセプタを移動でき、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能であることが明らかである。

本発明の気相成長装置は、基板上に異なる組成の半導体薄膜を連続して成長させる際、気密性に優れた反応炉内において、基板がノズルと正確な位置で対向するようにサセプタを移動でき、各層間の界面の急峻性を有した半導体薄膜を、生産性よく低コストで均一に成長させることが可能なものである。従って、本発明の気相成長装置は、例えば、基板上に複数の半導体薄膜を積層して成長、成膜させるための装置として非常に好適である。

１００…気相成長装置
１…反応炉
１ａ…一端
１ｂ…他端
１Ａ…側壁
１Ｂ…ヒータ
２…フランジ部
２ａ…封止板
２ｂ…嵌合部
２ｃ…シール部材
３…サセプタ
３ａ…保持部
３Ａ…サセプタヒータ（加熱手段）
４…サセプタ移動機構
４０…サセプタ公転機構
４１…サセプタ公転板
４１ａ…内筒部
４１ｂ…外周部
４１ｃ…貫通孔
４２…公転用モータ
４２ａ…回転軸
４２ｂ…ピニオン歯車
４３…公転用磁気シールユニット
４３ａ…取付フランジ部
４３ｂ…嵌合部
４３ｃ…シール部材
４３ｄ…磁性流体
５０…サセプタ自転機構
５１…サセプタ自転軸
５１ａ…一端
５１ｂ…他端
５２…自転用モータ
５２ａ…回転軸
５３…自転用磁気シールユニット
５３ａ…外筒部
５３ｂ…内筒部
５３ｃ…磁性流体
６…排気口
１０…第１ガスノズル
１１…ボート
１３…ガス原料導入部
１４…ハロゲンガス導入部
１５…噴出口
２０…第２ガスノズル
２１…ボート
２３…ガス原料導入部
２４…ハロゲンガス導入部
２５…噴出口
３０…パージガスノズル
３３…パージガス導入部
３５…噴出口
Ｊ１…中心軸（サセプタ公転板）
Ｊ２…中心軸（サセプタ、サセプタ自転軸）
ＪＮ１…中心軸（第１ガスノズル）
ＪＮ２…中心軸（第２ガスノズル）
８…基板
８１…オリフラ（オリエンテーションフラット）
８ａ…表面
８ｂ…裏面
Ｐ１…第１の位置
Ｐ２…第２の位置
Ｐ３…第３の位置
Ｍ１…第１の金属原料
Ｍ２…第２の金属原料
Ｇ１…第１の反応ガス
Ｇ２…第２の反応ガス
Ｇ３…パージガス
Ｇ４…ハロゲンガス
Ｇ５…ガス原料

Claims (7)

1. 有機金属気相成長法を用いることなく、金属原料にハロゲンガスを供給することで生成した反応ガスを基板上に導入することにより、前記基板上に半導体薄膜を成長させる気相成長装置であって、
   パージガスで満たされた反応炉内において前記基板を保持する自転自在なサセプタと、
   前記サセプタを加熱する加熱手段と、
   内部に配置された第１の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第１の反応ガスを前記基板上に導く第１ガスノズルと、
   内部に配置された第２の金属原料に前記ハロゲンガスを供給することで生成した第２の反応ガスを前記基板上に導く第２ガスノズルと、
   前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルに対する前記サセプタの位置を、前記第１ガスノズルにおける前記第１の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第１の位置と、前記第２ガスノズルにおける前記第２の反応ガスの噴出口と互いに向かい合う第２の位置との間で切り替えるサセプタ移動機構と、を備え、
   前記サセプタ移動機構は、前記サセプタを、該サセプタの中心軸を中心に自転させるためのサセプタ自転機構と、前記サセプタ自転機構が取り付けられて回転自在とされたサセプタ公転板を有し、前記サセプタ公転板の中心軸を中心に前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させるためのサセプタ公転機構とからなり、
   前記サセプタ、前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルの各々の中心軸は、平面視において、前記サセプタ公転板の前記中心軸に対応する位置に対して等距離に離間して配置されており、
   前記サセプタ移動機構が、前記サセプタ公転板を回転させることで前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させることにより、前記サセプタの位置を、前記第１の位置又は前記第２の位置に移動させ、
   前記第１の位置において前記サセプタを公転させることなく、前記サセプタを自転させながら、前記基板上に第１の半導体薄膜を成長させ、
   前記第２の位置において前記サセプタを公転させることなく、前記サセプタを自転させながら、前記基板上に第２の半導体薄膜を成長させ、
   前記第１の半導体薄膜と前記第２の半導体薄膜の組成が異なることを特徴とする気相成長装置。
2. さらに、前記第１ガスノズルと前記第２ガスノズルとの間に配置され、前記基板上にパージガスを導くパージガスノズルを具備し、
   前記サセプタ移動機構は、前記サセプタの位置を、前記第１の位置と前記第２の位置との間に位置し、前記パージガスノズルにおける前記パージガスの噴出口と互いに向かい合う第３の位置に切り替え可能であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記反応炉は、各ガスが水平方向に流れる横型炉とされており、
   前記サセプタ移動機構は、前記サセプタ公転板を回転させることで前記サセプタ自転機構及び前記サセプタを公転させることにより、前記サセプタの位置を、前記第１の位置又は前記第２の位置に移動させる際に、前記サセプタの公転と自転とを同期させながら該サセプタを回転させるとともに、前記サセプタに保持された前記基板を平面視したときの公転方向と自転方向とが逆方向であり、且つ、公転周期と自転周期とが同一であり、
   前記サセプタは、前記第１の位置及び前記第２の位置の何れの位置においても、前記サセプタに保持された前記基板の平面視における位相が同じであるモードを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルは、前記基板上にハイドライド気相成長法によって半導体薄膜を成長させるものであり、
   前記反応ガスが金属塩化物であり、
   前記半導体薄膜が、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、及びＩｎ_２Ｏ_３のうちの何れか、あるいは、それらの混晶からなることを特徴とする請求項１～請求項３の何れか一項に記載の気相成長装置。
5. 前記第１ガスノズルは、前記基板上に前記第１の半導体薄膜を成長させ、前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体薄膜上に前記第２の半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項１～請求項４の何れか一項に記載の気相成長装置。
6. 前記第１ガスノズルは、前記第２ガスノズルによって成長させた前記第２の半導体薄膜上に、さらに、前記第１の半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項５に記載の気相成長装置。
7. 前記第１ガスノズル及び前記第２ガスノズルは、前記第１の半導体薄膜と前記第２の半導体薄膜とを交互に積層しながら成長させることを特徴とする請求項５に記載の気相成長装置。

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