JPH10256166A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応炉を小型化し、かつ基板上に成長する膜
厚の均一性を向上させることができる気相成長装置と、
該装置を用いた気相成長方法を提供する。 【解決手段】 内部に一個または複数個の基板６が同一
平面上に配置され、ガスの流入方向に垂直な断面形状
が、基板６面に平行な方向の幅に対して、基板６面に垂
直な方向の幅が小さい反応炉１０を有する気相成長装着
において、反応炉１０は基板６面に平行な方向に並列し
た複数のガス供給口２ａ、２ｂ、２ｃを有し、各ガス供
給口２ａ、２ｂ、２ｃには、流入ガス流量を制御するガ
ス流量制御手段１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１３ａ、１３
ｂ、１３ｃと、ガス流の下流方向に向かい流路幅が拡大
したガス導入部１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設け、前記ガ
ス供給口２ａ、２ｂ、２ｃへ、流量を制御してガスを供
給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜などを
成長させる気相成長装置および気相成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の気相成長装置について、有機金属
気相成長（ＭＯＣＶＤ）法でＧａＡｓ基板にＧａＡｓ、
ＧａＡｌＡｓなどをエピタキシャル成長させる場合を例
にとり、図５（ａ）、（ｂ）に従って説明する。図５
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、気相成長装置の反応炉のガ
ス流方向の縦断面図およびそのＡ−Ａ断面図である。図
５において、ガス供給装置（図示されず）より、水素ガ
スによりバブリングされた３族系の原料、例えばトリメ
チルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）の有機金属と、アルシン（ＡｓＨ₃ ）が水素ガス
をキャリアガスとしてガス供給口２より反応炉１０に供
給される。供給された前記原料ガスは、反応炉１０内に
あるサセプタ５に搭載された基板６の表面上でＣＶＤ反
応し、基板６表面にＧａＡｓやＧａＡｌＡｓがエピタキ
シャル成長する。この反応時、サセプタ５は加熱手段８
で加熱されており、この熱エネルギーで供給された原料
ガスが反応する。未反応の原料ガスと反応生成物と水素
ガスは、排気口４より排気されて、廃ガス処理装置（図
示されず）で処理される。また、反応容器１とフローガ
イド３の間には、Ｎ₂ ガスが導入される。図中、７は基
板６をサセプタ５に保持するための留め具、９はサセプ
タ５を回転させるためのモーターである。上述の所謂横
型の反応炉１０は、ガスの流れが比較的単純で、膜厚や
キャリア濃度の均一性が比較的実現しやすいので、径が
４インチの基板６を１〜３枚程度の少数枚処理する場合
によく用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
横型の反応炉１０には、以下のような問題があった。即
ち、 １）反応炉１０のガス流入方向に直交するフローガイド
３の断面は平べったい矩形をなしており、搭載される基
板６面に平行な方向（Ｙ方向）の幅ａ（図５（ｂ）に示
す）と、基板６面に垂直な方向（Ｘ方向）の幅ｂ（図５
（ａ）に示す）の比、Ｒ＝ａ／ｂが大きいので、筒状の
ガス供給口２からＹ方向の幅全体にわたって流れを乱す
ことなく、ガスを層流状態で反応炉１０内に流すことは
困難である。そこで、ガス供給口２からサセプタ５が配
置されるフローガイド３までのガス導入部１１を長くし
て、徐々に流れのＹ方向の幅を拡大していく方法が採ら
れていた。このため、基板６の枚数の割りには、装置が
大型化になっていた。 ２）また、基板６の径が大きくなったり、搭載枚数が多
くなり、前記Ｒが大きくなると、ガス導入部１１でガス
流の乱れをなくしても、Ｙ方向の中央部における流速に
比して、両側のフローガイド３内壁近傍の流速が遅くな
り、反応炉１０の断面内でＹ方向について流速を均一に
することが困難であるため、基板６上に成長した膜厚の
均一性が悪くなる。 本発明は、上述した問題に鑑みなされたもので、流速分
布が一様、または制御可能で、小型化できる気相成長装
置と、該装置を用いた気相成長方法を提供することを目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決すべくなされたもので、請求項１記載の発明は、内部
に一個または複数個の基板が同一平面上に配置され、ガ
スの流入方向に垂直な断面形状が、基板面に平行な方向
の幅に対して、基板面に垂直な方向の幅が小さい反応炉
を有する気相成長装着において、反応炉は基板面に平行
な方向に並列した複数のガス供給口を有し、各ガス供給
口には、流入ガス流量を制御するガス流量制御手段と、
基板方向に流路幅が拡大したガス導入部を設けたことを
特徴とする気相成長装置である。また、請求項２記載の
発明は、請求項１記載の気相成長装着を用いて、複数の
ガス供給口へ、ガス流量を制御して供給することを特徴
とする気相成長方法である。

【０００５】本発明では、反応炉は基板面に平行な方向
に並列した複数のガス供給口を有し、各ガス供給口に
は、流入ガス流量を制御するガス流量制御手段と、基板
方向に流路幅が拡大したガス導入部を設けてあるため、
反応炉のガスの流入方向に垂直な断面において、基板面
に平行な方向に、適切な流入ガスの流速、流量分布を設
定することができる。従って、基板面に平行な方向全体
にわたってガス流の乱れを少なくして、ガスを流入させ
ることができるので、ガス供給口から基板を搭載するサ
セプタが配置される部分の幅となるところまでのガス導
入部を短くすることができ、反応炉を小型化することが
できる。また、基板面に平行な方向全体にわたってガス
流速を均一化することができ、基板上に成長する膜厚の
均一性を向上させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。 （実施形態１）図１（ａ）は、本発明にかかる気相成長
装置の一実施形態の反応炉のガス流方向の縦断面説明図
であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面説明図
である。図１において、従来技術の説明に用いた図５と
同一箇所には同一符号を用いた。本実施例では、反応炉
１０に原料ガスを供給する３個のガス供給口２ａ、２
ｂ、２ｃを基板６面と平行に並列に設けた。各ガス供給
口２ａ、２ｂ、２ｃには、流入ガスの下流方向、即ち、
サセプタ５方向に幅が拡大するガス導入部１１ａ、１１
ｂ、１１ｃを設けてある。これらガス導入部１１ａ、１
１ｂ、１１ｃの流路幅の広がり角度は５〜２０°であ
り、こうすることにより、ガス導入部１１ａ、１１ｂ、
１１ｃ内壁でのガス流の剥離を少なくすることができ
る。また、中央に位置するガス導入部１１ｂの流路幅
は、両側のガス導入部１１ａ、１１ｃの流路幅よりも広
くなっている。また、ガス供給口２ａ、２ｂ、２ｃに
は、流量制御手段として、質量流量メーター（ＭＦＭ）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃとニードルバルブ１３ａ、１３
ｂ、１３ｃを設け、質量流量メーター１２ａ、１２ｂ、
１２ｃの値が所定の値となるように、ニードルバルブ１
３ａ、１３ｂ、１３ｃを調整する。なお、反応容器１と
フローガイド３の間には、Ｎ₂ ガスを流す。

【０００７】上述の反応炉１０で気相成長を行う場合、
ガス供給口２ａ、２ｂ、２ｃには等しい流量の原料ガス
を供給する。そうすると、両サイドのガス導入部１１
ａ、１１ｃの端部における流速は、中央のガス導入部１
１ｂの端部における流速よりも速くなり、フローガイド
３側壁３ａのガス流に対する影響が軽減される。従っ
て、ガス導入部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの長さを、ガス
供給口が一個である従来例に比較して短縮することがで
きる。実験に基づいて上述の構造の反応炉を設計したと
ころ、４インチ基板６、６枚用の反応炉（フローガイド
３の高さｂ＝６０ｍｍ、幅ａ＝７００ｍｍ、Ｒ＝１１．
７）では、従来に比較して、反応炉全長を７０％以下に
することができた。また、４インチ基板６、６枚に同時
に気相成長したところ、基板６内の膜厚の均一性は＋／
−２％以内であり、従来と同等の値であった。さらに、
４インチ基板６、３枚用の反応炉（フローガイド３の高
さｂ＝６０ｍｍ、幅ａ＝４００ｍｍ、Ｒ＝６．７）で
は、従来に比較して、反応炉全長を６０％以下にするこ
とができた。

【０００８】なお、上記実施形態において、フローガイ
ド３のガス流方向の断面形状（図１（ａ）、（ｂ）のＢ
−Ｂ断面）は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、矩形
断面（図２（ａ））に限らず、側壁３ａが半円形状（図
２（ｂ））、あるいは１／４円形状（図２（ｃ））など
でもよく、それに伴い反応容器１の断面形状もフローガ
イド３を収納できる形状であれば、特に限定されるもの
ではない。

【０００９】（実施形態２）実施形態１で、３個のガス
導入部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの端部の幅を等しくし
た。本実施形態で、両側のガス供給口２ａ、２ｃのガス
流量が中央部のガス供給口２の流量よりも多くなるよう
にガス流量を調整し、膜厚の均一化を図った。その結
果、基板６内の膜厚の均一性は＋／−１．２％となり、
従来の＋／−２％よりも均一性が向上した。

【００１０】（実施形態３）図３は本発明にかかる他の
実施形態の平面断面図である。本実施形態では、３個の
ガス供給口２ａ、２ｂ、２ｃが設けられ、これらガス供
給口２ａ、２ｂ、２ｃには、ガス導入部１１ａ、１１
ｂ、１１ｃが設けられている。これらガス導入部１１
ａ、１１ｂ、１１ｃの基板６面と平行な面内の開き角度
（ガス流入方向に対する角度）は以下のようになってい
る。即ち、両側のガス導入部１１ａ、１１ｃでは、反応
容器１側の開き角度をθ₁、その反対側の角度をθ₂ と
して、θ₁ ＜θ₂ とした。こうすることにより、ガス導
入部１１ａ、１１ｃの出口での流速が、フローガイド３
の側壁３ａ側でより速くなり、側壁３ａにおける流れが
受ける影響が小さくなる。また、中央のガス導入部１１
ｂの開き角度θ₃ は、長さを短くするために、出来るだ
け大きくした。具体的には、６インチ基板６、１枚用の
反応炉１０（フローガイド３の高さｂ＝６０ｍｍ、幅ａ
＝２６０ｍｍ、Ｒ＝４．３）について、実験に基づき、
θ₁ を３〜６°、θ₂ を５〜１０°、θ₃ は８〜１５°
とした。そして、ガス供給口２ｂに対する流量を基準に
して、ガス供給口２ａ、２ｃに対する流量を＋／−２０
％程度調整することで、膜厚の均一性を＋／−１．２％
まで向上させることができた。因みに従来の構造の反応
炉では膜厚の均一性は＋／−２．０％であった。なお、
ガス導入部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの平面内の開き角度
を同一にし、流れが乱れないようにすると、θ₁ 、
θ₂ 、θ₃ が１０°程度になり、ガス導入部１１ａ、１
１ｂ、１１ｃの長さは、前述の実施態様３の場合に比し
約１０％程度増加した。

【００１１】本発明の気相成長装置は、３−５族化合物
半導体だけでなく、２−６族化合物半導体を成長させる
場合にも適用でき、さらに、シリコン薄膜の成長にも適
用できる。また、図４に示すように、サセプタ５に対向
してその下流側に調整用フローガイド１４を挿入する
と、ガス供給口２から排気口４方向への原料ガスの密度
を調整して、流れ方向の膜厚を均一化することができな
る。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
応炉は基板面に平行な方向に並列した複数のガス供給口
を有し、各ガス供給口には、流入ガス流量を制御するガ
ス流量制御手段と、ガス流の下流方向に向かい流路幅が
拡大したガス導入部を設けたため、前記ガス供給口へ流
量を制御してガスを供給することにより、反応炉を小型
化し、かつ基板上に成長する膜厚の均一性を向上させる
ことができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明にかかる気
相成長装置の一実施形態における反応炉のガス流方向の
縦断面説明図およびそのＡ−Ａ断面説明図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）、
（ｂ）のＢ−Ｂ断面に相当する部分のそれぞれの実施形
態を示す説明図である。

【図３】本発明にかかる他の実施形態の平面断面説明図
である。

【図４】本発明の気相成長装置において、調整用フロー
ガイドを挿入した状態を示すガス流方向の縦断面説明図
である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の気相成長装
置における反応炉のガス流方向の縦断面説明図およびそ
のＡ−Ａ断面説明図である。

【符号の説明】

１ 反応容器 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ ガス供給口 ３ フローガイド ３ａ 側壁 ４ 排気口 ５ サセプタ ６ 基板 ７ 留め具 ８ 加熱手段 ９ モーター １０ 反応炉 １１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ガス導入部 １２ａ、１２ｂ、１２ｃ 質量流量メーター １３ａ、１３ｂ、１３ｃ ニードルバルブ １４ 調整用フローガイド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に一個または複数個の基板が同一平
   面上に配置され、ガスの流入方向に垂直な断面形状が、
   基板面に平行な方向の幅に対して、基板面に垂直な方向
   の幅が小さい反応炉を有する気相成長装着において、反
   応炉は基板面に平行な方向に並列した複数のガス供給口
   を有し、各ガス供給口には、流入ガス流量を制御するガ
   ス流量制御手段と、ガス流の下流方向に向かい流路幅が
   拡大したガス導入部を設けたことを特徴とする気相成長
   装着。
2. 【請求項２】 内部に一個または複数個の基板が同一平
   面上に配置され、ガスの流入方向に垂直な断面形状が、
   基板面に平行な方向の幅に対して、基板面に垂直な方向
   の幅が小さい反応炉に設けられた、基板面に平行な方向
   に並列し、ガス流の下流方向に向かい流路幅が拡大した
   ガス導入部を有する複数のガス供給口へ、流量を制御し
   てガスを供給することを特徴とする気相成長方法。