JPH0412525A - 有機金属化学気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ等の化合物か
らなる半導体結晶薄膜を基板上に成長する装置に係り、
特に原料に高価で危険性の高い物質を使用する有機金属
化学気相成長装置に関する。

〔従来の技術〕

薄膜を基板上に成長させる気相成長装置は、量産性や制
御性の良さから特に半導体薄膜形成用として盛んに利用
されている。その中でも半導体レーザや受光素子に用い
られるＧａＡｓ、ＩｎＰ。

ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体を成長させる有機金属化
学気相成長装置、例えばＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇ
ａｎｉｃ　　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＭ　ＯＶ　Ｐ　Ｅ　（Ｍｅｔ
ａｌ　　Ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｐｈａｓｅ
　　Ｅｐｉｔａｘｙ）装置は、液相成長装置に比較して
良質の薄膜が得られるとして注目されている。

しかし、該装置では薄膜成長の原料となる化学物質が他
の半導体材料に比べ高価であるのに対し、実際の薄膜と
なる原料の割合は極めて小さい。このことは、毒性の強
い原料の化学物質を豊富に含む排ガスを処理するための
設備の必要性を含め、ＮＷＩの製造原価低減を妨げてい
る。

従来の装置で、本発明に関連するものとして特開昭６３
−２５２９４号公報記載の装置がある。

同装置は、排ガスを循環させる構造だが、その目的はＨ
２等のキャリアガスだけを循環させるもので、ＡｓＨ，
３やＴＥＧ等の原料物質は中途の除害装置で除去されて
しまう。これでは材料コストの高いＡ　ｓ　Ｈ３やＴＥ
Ｇ等の有効利用が図れない上に、排ガス中の毒性の強い
ＡｓＨ３，ＴＥＧ等の除害に大容量の除害設備が必要と
なるため、半導体材料の製造コストの大きな低減となら
ない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の技術は、原料物質を充填したボンベあるいは
シリンダから導入してきた反応ガスを一度反応室に流通
させたのち排気している。上記技術を適用した気相成長
装置について、反応室内で成長する薄膜を反応生成物と
して考えて反応ガスの収率を計算した場合、０．０１％
から１％と殆ど未反応成分として排気されている。原料
物質、特に化合物半導体の成長に用いられるＡｓＨｓ　
　（アルシン）やＰＨ５（フォスツイン）、ＴＥＧ　（
トリエチルガリウム）やＴＥＩ　　（）リエチルインジ
ウム）等は極めて高価であり、また毒性も強い事から高
価な排ガスの処理設備を必要とする。

本発明の目的は、上記薄膜を成長させる気相成長装置に
ついて、原料物質を高い収率で使用できる有機金属化学
気相成長装置を提供する事にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を適用した装置は、流通式の反応管に反応ガスの
循環ができる分岐管を有している。分岐管は反応管の上
流側と下流側に接続し、未反応ガスを分岐管を通じて基
板にまで循環させることにより、反応ガスの利用効率（
収率）を高めることができる。

循環用の分岐管の管内径（断面積）は反応管よりも小さ
くして反応ガスの流速を増加させる事により、分岐管中
での反応を防ぐ様になっている。

反応管下流側の未反応成分を含むいわゆる排ガスを分岐
管を通じて反応管上流側へ循環させて反応ガスとして再
利用する事により、反応ガス中の原料物質の収率を向上
させる事ができる。

反応管の上流部および下流部をゲート弁等で封止し、反
応管中あるいは分岐管中に循環ポンプあるいはファンを
設ける事により、外部との反応ガスの流通を行う事なく
反応管内にガス流れを生じさせ従来技術の流通式気相成
長の反応を行う事ができる。

〔作用〕

本発明の作用の原理を第１図を用いて説明する。

第１図は本発明を適用した気相成長装置の基本的な構成
を示すものである。原料物質を充填したボンベ１２及び
シリンダ１３から供給された反応ガスが、供給ライン１
４を通り反応管３に導入され、高周波コイル８により誘
導加熱された基板５上で反応したのち排気ポンプＩＯで
排気される。

そして反応管３に、分岐管ｌ及び循環ポンプ２より構成
される循環手段を有する。多連弁１１を通じて反応ガス
を反応管３内へ充填した後、多連弁１１を循環手段の方
へ切換え、循環ポンプ２を始動して反応管３内及び分岐
管１内にガス流れを生じさせる。反応ガスは加熱基板上
で反応して薄膜を形成するが、従来の成長装置では１回
、流通の場合の反応ガス中の原料物質の収率は０．０１
％から１％と僅かであるため、循環させた場合でも殆ど
濃度的には変化がなく反応速度すなわち薄膜の形成ある
いは成長速度が低下することはない。

従って、１回充填された反応ガスを繰返し流通させて反
応させる事により、原料物質の収率が向上する。さらに
、反応終了後の排ガスの処理に対し、反応ガス中の未反
応成分が従来の成長装置と比べ低濃度である事から、除
害設備の簡略化という利点がある。

この場合、バルブ４とバルブ７との間に、空容器を準備
し、薄膜が所望の膜厚に達した場合の余分な未反応ガス
を空容器内に貯える方法を取る事により、原料ガスの有
効利用を図ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第２〜５図を用いて説明する。

なお、各図において同一個所のみならず同様個所と見做
される部分には同一符号を付した。

（実施例１） 第２図に示した装置を用いてＧａＡｓの成長を行った。

石英反応管３は長さ５００ｍｍ、内径は直径８０ｍｍで
ある。基板加熱用支持台１７上には直径５０ｍｍのＧａ
Ａｓ単結晶基板５が載せられており、基板５上の生成膜
厚測定用の膜厚検出器３００がその上流側に設けられて
いる。基板５は高周波コイル８により誘導加熱される。

反応管３の下流側には循環用分岐管１及び排気管１５が
接続し、管Ｉ５の端には基板５の出し入れを行うゲート
弁１６が設けられている。循環用分岐管ｌには、未反応
ガスを加熱する加熱器１００、ガス組成を検出するガス
分析器２００、循環用ポンプ２、反応側生成物除去用フ
ィルタ３８、原料反応ガス供給管１４が設置されており
、バルブ４およびバルブ７、多連弁１１により反応ガス
流れを変化させる事ができる。ガス分析器２００及び膜
厚検出器３００の出力は制御器５００に入力されるよう
になっており、制御器５００は内蔵する計時器の出力及
び前記機器よりの各入力により、バルブ４，６．１１，
４００を制御するようになっている。分岐管１の内径は
約４ｍｍで、反応管３との断面積比は約１５６である。

次に実際の成長手順について説明する。まずＨ２雰囲気
中でＧａＡｓ基板５を反応管３内へ導入し、バルブ４お
よびバルブ７を閉じてバルブ６を開き、排気ポンプ１０
を始動させて反応管３内を数百トール程度に減圧する。

その後、多連弁１１を開いてキャリアガスのＨ２及び反
応原料ガスを、ＡｓＨ，ボンベ１２及びＴＥＧシリンダ
１３より反応管３内へ導入する。最初はバルブ６を開い
たままＡｓＨ３のみを流し、基板５の昇温を行う。次に
ＴＥＧを導入した後、バルブ６及び多連弁１１を閉じて
バルブ４，７を開き循環ポンプ２を始動させて、制御器
５００の内蔵する計時器を１時間に設定後径時器を作動
させると共に、ガス分析器２００でガスを分析し、膜厚
検出器３００で膜厚を検出しなからＧａＡｓの成長を開
始する。ＡｓＨ。

とＴＥＧの濃度比を約１００程度とＡｓＨ，が大過剰と
なるように設定し、成長反応がＴＥＧの物質供給律速と
なる様にした。

所定時間成長を行った後、制御器５００は計時器の出力
によりバルブ４を閉じ、多連弁１１及びバルブ６を開い
て上流側からＮ２或いはＨ２を流しながら、基板５を冷
却しながらバルブ６よりガスを下流のガス処理装置に排
出して取り出して膜厚を測定した。成長前の原料の充填
量と膜厚から計算した原料物質の収率はＡｓＨ，が５％
、ＴＥＧが２０％であり、成長速度を落とさずに従来の
流通式の成長装置に比べ約１０倍近く増加した。

反応管３の下流側内壁に反応副生成物が析出したが、循
環用分岐管１内壁には析出しなかった。

循環用分岐管１と反応管３との断面積比が１＝１００以
上であれば、分岐管内壁への反応副生成物の析出は認め
られなかった。

以上の事から、本発明によれば原料物質の収率を向上さ
せるのに非常に効果的である事が判る。

（実施例２） 本発明を適用した別の例を第３図を用いて説明する。本
実施例は循環反応ガスの流動手段として反応管３内に設
けたファン５９を使用したものである。ファン５９を回
転させる事で反応ガスの流動を行うのに加え、ガスの混
合及び回転数の変化による薄膜の成長速度等の制御を行
う事ができる。

本装置を用いてＩｎＰ単結晶基板５上へのＩｎＧａＡｓ
の成長を行った。結晶基板５の直径は５０ｍｍである。

基板加熱はグラファイト製支持台１７を高周波コイル８
で誘導加熱する事で行う。

原料物質としてＴＥＧ、ＴＥＩ、及びＡ　ｓ　Ｈ３を使
用し、元素周期律表Ｖ族と■族のモル比は実施例１と同
ＰＪ１００程度とした。各原料物質を反応ガスとして反
応管３および循環用分岐管１内に充填し、一定時間成長
を行った。

得られた結晶薄膜の成長速度は従来型の成長装置の値と
ほぼ同じであったが、成長前に充填した原料物質量は従
来型の装置において同し成長速度を得るために必要な量
の１０分の１以下であった。

この結果、多元系結晶の成長においても実施例１と同様
、原料物質の収率を大幅に向上させる効果が得られた。

なお、図中の５１はバルブである。

（実施例３） 本発明を適用した別の例を第４図及び第５図を用いて説
明する。本実施例は、実施例２と同様、反応ガスの流動
にファン５９を使用しているが、結晶の量産用として複
数用の基板支持台１７を有している。循環用分岐管１は
、第５図に示す様に４ケ所設置されており、反応管３内
での反応ガスの混合を良くし、また分岐管ｌでのガス流
速を増す事による反応の防止にも効果が認められた。す
なわち、分岐管１内でのガス流速を高める事により分岐
管１中での化学反応による析出を防ぐ事ができた。なお
、図中の８４．８７．９１はバルブである。

〔発明の効果〕

本発明を適用した装置を用いると、従来の装置では０．
０１〜１％であった原料物質の収率を１０倍以上近く高
める事ができる。そのため現状では高価な原料物質を効
率良く使う事ができ、また排ガス処理設備への負担も軽
減される。従って、成長結晶の原価低減が可能となり、
その結晶で作成される素子の原価低減と排ガス処理設備
の設備費及び維持費の低減等が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した気相成長装置の断面図と周
辺機器の配置図である。第２図は、本発明を実際に用い
ているＩｎＰ系結高結晶学気相成長装置の構造図である
。第３図は、反応管内に設置したファンで、ガスを循環
させる装置の構造図である。第４図は、循環用分岐管を
複数にし基板の多数枚処理が行える装置の構造図である
。第５図は、第４図を上面から見た図である。 １・・・循環用分岐管、２・・・循環ポンプ、３・・・
反応管、４．６．７，５１，８４，８７．９１・・・ス
トップ弁（バルブ）、５・・・基板、８・・・高周波コ
イル、９・−・排ガス出口、１０・・・排気ポンプ、１
１・・・多連弁、１２・・・ボンベ、１３・・・シリン
ダ、１４・・・供給配管、１５・・・排ガス配管、１６
・・・ゲート弁、１７・・・基板加熱用支持台、１８・
・・貯蔵タンク、３８・・・副生酸物除去用フィルタ。 第１図 第 図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板を通過した未反応の有機金属及び水素化物を
   基板上へ循環させる循環手段と、循環系の中に設けられ
   た貯蔵タンクとを備えた事を特徴とする有機金属化学気
   相成長装置。
2. （２）請求項（１）記載において、反応ガスの配管及び
   反応管中での流動手段として循環ポンプまたはファンを
   使用する事を特徴とする有機金属化学気相成長装置。
3. （３）請求項（２）記載において、循環系の配管と反応
   管との断面積比を１：１００以上にした事を特徴とする
   有機金属化学気相成長装置。
4. （４）請求項（１）記載において、循環部配管を、使用
   する有機金属ガス等が再凝結する温度以上に均一に加熱
   できる機構を備えた事を特徴とする有機金属化学気相成
   長装置。
5. （５）請求項（１）記載において、常に反応管内の各ガ
   ス濃度を制御するために、反応管下流側に成分の濃度モ
   ニタを設け、一方、反応管上流側に原料ガス導入機構を
   設けた事を特徴とする有機金属化学気相成長装置。