WO2012169332A1

WO2012169332A1 - シャワープレートの製造方法、シャワープレートおよびこれを用いた気相成長装置

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Abstract

　気相成長装置（１００）に用いるシャワープレート（１１３）の製造方法は、第一構成部材（１０３１）および第二構成部材（１０３２）のそれぞれにザグリ段差部分（１０３１ｂ，１０３２ｂ）を有する貫通孔（１０３１ａ，１０３２ａ）を設ける工程と、ザグリ段差部分（１０３１ｂ）にガス吐出パイプ（１０３３）の一端を差し込む工程と、ガス吐出パイプの他端が第二構成部材から突出するように、貫通孔（１０３２ａ）にガス吐出パイプを差し込む工程と、ザグリ段差部分（１０３１ｂ）およびガス吐出パイプ同士を溶接する工程と、ザグリ段差部分（１０３２ｂ）およびガス吐出パイプ同士を溶接する工程と、第一構成部材（１０３１）および第二構成部材（１０３２）同士を溶接する工程とを備える。シャワープレート（１１３）は、気相成長装置の大型化に対応でき、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを製造することに寄与する。

Description

シャワープレートの製造方法、シャワープレートおよびこれを用いた気相成長装置

　本発明は、シャワープレートの製造方法、シャワープレートおよびこれを用いた気相成長装置に関し、特に、加熱された基板上で原料ガスを化学反応させ、その基板の表面に薄膜を形成する気相成長装置、ならびに、その気相成長装置に用いられるシャワープレートおよびその製造方法に関する。

　従来より、発光ダイオードおよび半導体レーザ等の半導体デバイスを製造するために、ＭＯＣＶＤ（Metal　Organic　Chemical　Vapor　Deposition）法が用いられている。ＭＯＣＶＤ法においては、有機金属ガスおよび水素化合物ガスが、原料ガスとして成長室の中に導入される。ＭＯＣＶＤ法に用いられる有機金属ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、または、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等を含有する。ＭＯＣＶＤ法に用いられる水素化合物ガスは、アンモニア（ＮＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、または、アルシン（ＡｓＨ_３）等を含有する。

　上記の原料ガスは、不活性ガスと共に成長室の中に導入される。加熱された被処理基板上で原料ガスが気相反応することにより、その被処理基板上で、化合物半導体結晶が成長する。ＭＯＣＶＤ法を用いる化合物半導体結晶の製造には、コストを抑えながら化合物半導体結晶の品質を向上させ、歩留まりおよび生産能力を最大限確保することが望まれる。換言すると、高い成膜効率が望まれる。成膜効率とは、原料ガスからどれだけの量の化合物半導体結晶が成膜されたかを示す値である。ＭＯＣＶＤ法を用いて製造された発光ダイオードまたは半導体レーザ等を品質の高い半導体デバイスとして活用するためには、膜厚および組成比がいずれも均一であることも望まれる。

　図９は、ＭＯＣＶＤ法を採用する従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）の構成を模式的に示す図である。このＭＯＣＶＤ装置６００においては、ガス供給源６０２と反応炉６０１の内部の成長室６１１とが、ガス配管６０３によって接続されている。原料ガスおよび不活性ガスは、ガス供給源６０２からガス配管６０３を通して成長室６１１の中に導入される。成長室６１１の上部には、シャワープレート６１０がガス導入部として設置されている。シャワープレート６１０は、複数のガス吐出孔を有する。反応ガスおよび不活性ガスは、シャワープレート６１０に設けられた複数のガス吐出孔を通して成長室６１１の中に導入される。

　反応炉６０１の成長室６１１の下部中央には、回転自在の回転軸６１２が設置されている。回転軸６１２は、図示しないアクチュエータによって回転する。回転軸６１２の先端には、サセプタ６０８が取り付けられている。サセプタ６０８は、シャワープレート６１０に対向している。サセプタ６０８の下部には、サセプタ６０８を加熱するためのヒータ６０９が取り付けられている。

　反応炉６０１の下部には、ガス排気部６０４が設置されている。ガス排気部６０４は、成長室６１１内のガスを成長室６１１の外部に排気する。ガス排気部６０４は、パージライン６０５を通して、排ガス処理装置６０６に接続されている。排ガス処理装置６０６は、成長室６１１からパージライン６０５を通して排気されたガスを無害化する。

　化合物半導体結晶を成長させる場合、まず、サセプタ６０８上に基板６０７が設置される。回転軸６１２が回転することにより、サセプタ６０８が回転する。ヒータ６０９がサセプタ６０８を加熱することにより、基板６０７は所定の温度に加熱される。その後、シャワープレート６１０に設けられた複数のガス吐出孔から、反応炉６０１の内部に設けられた成長室６１１の中に、原料ガスおよび不活性ガスが導入される。

　従来の薄膜形成方法においては、複数の原料ガスを成長室６１１の中に導入して基板６０７上で反応させるために、シャワーヘッドの中で複数の原料ガスを予め混合し、シャワープレート６１０に設けられた多数のガス吐出孔から基板６０７に向かって原料ガスを吹き付けるという構成が採用されていた。

　しかし、この構成では、ヒータ６０９とシャワープレート６１０との間の距離（以降、ギャップという）が短いため、原料ガスが基板６０７上に到達することにより原料ガスが基板６０７上で気相反応して基板６０７上に薄膜が形成される前に、シャワープレート６１０の表面で一部の原料ガスが化学反応し、シャワープレート６１０の表面に生成物が形成される。この理由は、ヒータ６０９からの輻射熱により、シャワープレート６１０の表面が加熱されるからである。シャワープレート６１０のガス吐出孔は、生成物により詰まる。原料ガスおよび不活性ガスは、基板６０７の表面にまで均一な量で到達できなくなる。さらに、ヒータ６０９からの輻射熱によりシャワープレート６１０が加熱された影響によって、原料ガスは、基板６０７の上方にまで均一な温度で到達することができなくなる。結果として、従来の薄膜形成方法では、均一な薄膜を有する化合物半導体結晶を基板６０７上に形成することはできなくなる。

　このような問題を解決するため、たとえば、特開平０８－０９１９８９号公報（特許文献１）には、図１０に示すような気相成長装置７００が開示されている。気相成長装置７００においては、シャワープレート７０１の内部（ガス通路部を除く）に、冷却チャンバ７０２が設けられている。シャワープレート７０１の内部に形成されたガス通路部の上下および側面を通して、シャワープレート７０１は、冷却チャンバ７０２によって冷却される。ヒータからの輻射熱によるシャワープレート７０１の温度上昇は、抑制されている。側壁７０３には、冷媒ジャケットが配置されている。冷媒ジャケットの内部にも、冷媒が導入される。冷媒ジャケットは、冷却チャンバ７０２とともに、シャワープレート７０１の温度上昇および原料ガスの温度上昇を抑制している。気相成長装置７００がこのような構成にされることで、原料ガスがシャワープレート７０１の表面で反応することは抑制されている。原料ガスは、サセプタ上に載置された基板７０４上に、損失無く且つ満遍なく供給されることが可能となる。

　特表２００１－５０６８０３号公報（特許文献２）に示すようなＭＯＣＶＤ装置も知られている。図１１は、この公報に示されたＭＯＣＶＤ装置８００（気相成長装置）を示す図である。ＭＯＣＶＤ装置８００は、成長チャンバ８０１の上部に、第１ガス供給コネクタ８０２、第２ガス供給コネクタ８０３、キャリアガス供給コネクタ８０４、および、ドーパントガス供給コネクタ８０５を備えている。成長チャンバ８０１の内部には、基板８０６を取り付けるための保持台８０７が回転自在に設けられている。保持台８０７には、ヒータ８０８が設けられている。第１ガス供給コネクタ８０２、第２ガス供給コネクタ８０３、キャリアガス供給コネクタ８０４、および、ドーパントガス供給コネクタ８０５は、互いに離れて配置されており、これらと保持台８０７との間には、ガス冷却部８０９が設けられている。成長チャンバ８０１の側壁には、冷却ジャケット８１０が設けられている。冷却ジャケット８１０の下端と保持台８０７との間には、ガス通路８１２が設けられている。ガス通路８１２は、保持台８０７に供給された原料ガスおよびキャリアガスを、排気口８１１に導く。それぞれの原料ガスは、分離した状態で成長チャンバ８０１の中に供給される。ＭＯＣＶＤ装置８００がこのように構成されることで、シャワープレート８１３の内部で原料ガスが気相反応することは、抑制されている。ガス冷却部８０９および冷却ジャケット８１０により、シャワープレート８１３が冷却され、シャワープレート８１３の温度上昇および原料ガスの温度上昇も抑制される。

特開平０８－０９１９８９号公報特表２００１－５０６８０３号公報

　上記の特許文献に示された装置は、シャワーヘッドの表面から被処理基板までの間の数十ミリのギャップの中で、原料ガスを被処理基板の上方にまで到達させて反応させている。しかしながら、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを得るためには、上記の特許文献に示された装置には改善の余地がある。

　原料ガスは、複数のガス吐出孔から吐出され、ギャップを通して被処理基板の上方に到達する。シャワーヘッドの表面は、被処理基板と平行でなければならない。シャワーヘッドに歪みが存在していたりシャワーヘッドが傾いていたりする場合、ギャップ間の距離にばらつきが生じる。コンダクタンスの関係から、ガスは隙間の大きい方へ流れ、膜厚分布に非常に大きな影響が生じる。シャワーヘッドの表面（被処理基板と対向する面）には、高い平坦度も要求される。シャワーヘッドの表面にたとえば凹凸が形成されていると、ガス吐出孔から均等に吹き出された原料ガスの流れが、凹凸形状を有するシャワーヘッドの表面によって乱される。被処理基板上に到達するまでの原料ガスの流れが均等とならず、被処理基板上に均一な膜厚を有する薄膜を形成できなくなる。

　上記のような理由により、シャワーヘッド表面の平行度および平坦度は、非常に重要である。被処理基板に対して略垂直な方向に原料ガスを流すシャワータイプのＭＯＣＶＤ装置に水冷流路とガス吐出孔とが備えられる場合、複数のガス吐出孔の配置ピッチは、小さいほどよい。被処理基板の搭載枚数が多くなると、シャワープレートの面積は大きくなり、ガス吐出孔の数も多くなる。ガス吐出孔の数が多くなると、シャワーヘッド基板とガス吐出パイプとの接合箇所も多くなる。

　気相成長装置に用いられるシャワーヘッド（シャワープレート）の製造方法においては、ロウ付けという手法を用いることによって、シャワーヘッド基板とガス吐出パイプとを互いに接合することができる。ロウ付けという手法においては、シャワーヘッド基板に設けられた孔とガス吐出パイプとの間の接合対象箇所の全てに、ロウ剤が設置される。高温の加熱炉の中でロウ剤が融解され、ロウ剤が冷却されて固化することによって、シャワーヘッド基板とガス吐出パイプとが互いに接合される。この手法によれば、構造部材への入熱が均等かつ一気に行われるため、シャワーヘッド基板およびガス吐出パイプが変形しにくい。

　ロウ付けの問題点として、シャワーヘッド本体が挿入される加熱炉のサイズには、限界がある。加熱炉は、一定値以上の大きさを有するシャワーヘッド本体には、対応できない。これに加えて、加熱炉の面積が大きくなると、加熱炉の内部の温度を管理することが難しくなる。ロウ剤は、シャワーヘッド基板とガス吐出パイプとを毛細管現象を用いて互いに接合するため、接合部材の接合面の表面状態を管理することも難しくなる。これに起因して、微小なリークが発生する可能性もある。リークが発生すると、再接合したり修正したりすることはできない。新しいシャワーヘッドを準備することが必要となり、生産コストが増大する。さらに、ロウ付けに用いられるロウ材の材質は、シャワーヘッドを構成する部材の材質とは異なる。ロウ付けの接合強度は、溶接の接合強度に比べて低い。

　一方、上記のようなシャワーヘッドは、溶接手法を用いて製造されることもできる。溶接手法を用いているときにリークが発生したとしても、リークが発生した箇所は、修正されることができる。シャワーヘッド基板（シャワープレート）およびガス吐出パイプの間の接合対象箇所は、高温で融解される。材料同士を相互に溶かし込むことによって、シャワーヘッド基板およびガス吐出パイプ同士が接合される。溶接の接合強度は、ロウ付けの接合強度に比べて非常に高い。

　溶接手法においては、接合対象箇所の材料が、高温で融解される。複数の接合対象箇所に対しては、一つずつ溶接が行われる。接合対象箇所は、局所的に加熱され、３０００℃以上の高温にさらされる。ガス吐出孔の数が多くなればなるほど、シャワーヘッド基板には、反り、うねり、または、歪などが発生しやすくなる。シャワーヘッド基板に発生した反りなどは、プレス加工を実施して補正されることもできる。しかしながら、プレス加工においては、溶接箇所に非常に大きな圧力が付与され、シャワーヘッド基板に発生した反りなどは、塑性変形によって補正される。シャワーヘッドにおける個々の溶接箇所、または、シャワーヘッドを構成する材料には、割れが発生しやすくなる。

　溶接手法においては、接合対象箇所が高温で融解されるため、融解した部分には、非常に大きな凹みが生じる場合もある。この凹みは、構造材料と同じ材料を有する溶接棒をこの凹みに差し込み、溶接棒を用いて凹んだ部分を肉盛することによって補正されることができる。しかしながら、溶接棒を用いて凹みを補正する場合、非常に大きな電流が長時間にわたってシャワーヘッド基板に付与される。凹みが補正されたとしても、シャワーヘッド基板の反り、うねり、または歪等が成長して大きくなる可能性がある。補正部分においては、必要以上の肉盛が形成される可能性もある。シャワーヘッド基板に歪等が発生することなくシャワーヘッド基板とガス吐出パイプとを溶接できたとしても、溶接後に、肉盛部分を除去してシャワーヘッドの表面を平坦にするために、シャワーヘッド表面を旋盤を用いて削るなどの２次加工が必要となる。したがって、溶接手法を用いてシャワーヘッド基板とガス吐出パイプとを互いに接合することは、大面積を有するシャワーヘッド基板が用いられる場合、または、ガス吐出孔の数が多い場合などには、非常に困難である。

　本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、気相成長装置の大型化に対応でき、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを製造することに寄与するシャワープレートおよびその製造方法、ならびに、そのシャワープレートを用いた気相成長装置を提供することにある。

　本発明に基づくシャワープレートの製造方法は、気相成長装置に用いられるシャワープレートの製造方法であって、第一構成部材および第二構成部材のそれぞれに、ザグリ段差部分を有する貫通孔を設ける工程と、上記第一構成部材の上記ザグリ段差部分にガス吐出パイプの一端を差し込む工程と、上記第一構成部材の上記ザグリ段差部分に差し込まれた上記ガス吐出パイプの他端が上記第二構成部材から突出するように、上記第二構成部材に設けられた上記貫通孔に上記ガス吐出パイプを差し込む工程と、上記第一構成部材の上記ザグリ段差部分および上記ガス吐出パイプ同士を溶接する第一溶接工程と、上記第二構成部材の上記ザグリ段差部分および上記ガス吐出パイプ同士を溶接する第二溶接工程と、上記第一構成部材および上記第二構成部材同士を溶接する工程と、を備える。

　好ましくは、上記シャワープレートは、冷却用空洞部を有する。好ましくは、上記第一構成部材、上記第二構成部材、および、上記ガス吐出パイプは、同一の材料よりなる。

　好ましくは、上記第一溶接工程およびまたは上記第二溶接工程において、溶接された部分が上記第一構成部材および上記第二構成部材の表面に突出しないように溶接される。

　本発明に基づくシャワープレートは、本発明に基づく上記のシャワープレートの製造方法を用いて製造される。

　本発明に基づく気相成長装置は、本発明に基づく上記のシャワープレートを用いる。

　本発明によれば、気相成長装置の大型化に対応でき、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを製造することに寄与するシャワープレートおよびその製造方法、ならびに、そのシャワープレートを用いた気相成長装置を得ることができる。

本発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートを示す断面図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの製造方法の第１工程を示す図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの製造方法の第２工程を示す図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの製造方法の第３工程を示す図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの製造方法の第４工程を示す図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの第一構成部材の貫通孔を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの第一構成部材の貫通孔のザグリ段差部分の上にガス吐出パイプが配置された状態を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるシャワープレートの第二構成部材の貫通孔を示す断面図である。本発明の実施の形態における気相成長装置のシャワープレートに固定部材を取り付けた図である。比較例における気相成長装置のシャワープレートを示す断面図である。比較例におけるシャワープレートを示す平面図である。図８Ａ中におけるＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿った矢視断面図である。図８Ａ中におけるＶＩＩＩＣ－ＶＩＩＩＣ線に沿った矢視断面図である。従来の気相成長装置の構成を模式的に示す図である。従来の他の気相成長装置の構成を模式的に示す図である。従来のさらに他の気相成長装置の構成を模式的に示す図である。

　本発明の実施の形態について、図を参照しながら以下に説明する。本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

　図１は、本発明の実施の形態におけるＭＯＣＶＤ装置１００（気相成長装置）の構成を示す図である。ＭＯＣＶＤ装置１００は、反応炉１０２と、ガス供給手段としてのシャワーヘッド１０３と、回転軸１０４と、ヒータカバー１０５と、支持台１０６と、ヒータ１０７と、サセプタ１０８とを備えている。反応炉１０２は、中空部である成長室１０１を含んでいる。シャワーヘッド１０３は、底面にシャワープレート１１３を含んでいる。ヒータカバー１０５は、回転軸１０４を取り囲むようにして設置されている。支持台１０６は、回転軸１０４の周囲に備え付けられている。ヒータ１０７は、支持台１０６上に設置されている。サセプタ１０８は、ヒータ１０７上に設置されている。

　以下、ＭＯＣＶＤ装置１００の全体構成について説明する。ＭＯＣＶＤ装置１００および従来のＭＯＣＶＤ装置は、シャワープレート１１３において相違し、その他は略同様に構成される。シャワーヘッド１０３は、シャワーヘッド１０３のガス吐出面がサセプタ１０８と向かい合うようにして設置されている。回転軸１０４は、アクチュエータ（図示せず）などによって回転自在に構成されている。回転軸１０４の回転により、サセプタ１０８の上面が回転する。サセプタ１０８の上面は、サセプタ１０８の上面と対向するシャワーヘッド１０３のガス吐出面に対して平行な状態を保ちながら回転する。

　ＭＯＣＶＤ装置１００は、第１ガス分配空間１０９ａと、第２ガス分配空間１１０ａとを有する。第１ガス分配空間１０９ａは、たとえば、ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスの供給源である。第２ガス分配空間１１０ａは、たとえば、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源である。

　さらに、ＭＯＣＶＤ装置１００は、第１ガス配管１０９ｂと、ＩＩＩ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ（図示せず）と、第２ガス配管１１０ｂと、Ｖ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ（図示せず）とを有する。第１ガス配管１０９ｂは、ＩＩＩ族系ガスをシャワーヘッド１０３のガス導入口に導入する。ＩＩＩ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ（図示せず）は、第１ガス分配空間１０９ａから供給されるＩＩＩ族系ガスのガス導入口への導入量を調節する。第２ガス配管１１０ｂは、Ｖ族系ガスをシャワーヘッド１０３のガス導入口に導入する。Ｖ族系ガス導入量調節部としてのマスフローコントローラ（図示せず）は、第２ガス分配空間１１０ａから供給されるＶ族系ガスのガス導入口への導入量を調節する。マスフローコントローラは、制御部（図示せず）によって制御される。第１ガス分配空間１０９ａは、第１ガス流路１０９ｃと接続されている。第２ガス分配空間１１０ａは、第２ガス流路１１０ｃと接続されている。

　ＩＩＩ族元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、または、Ｉｎ（インジウム）などが挙げられる。ＩＩＩ族元素を含むＩＩＩ族系ガスとしては、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、または、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの、有機金属ガスを用いることができる。

　Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、または、Ａｓ（ヒ素）などが挙げられる。Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、または、アルシン（ＡｓＨ_３）などの、水素化合物ガスを用いることができる。

　冷却用空洞部としての水冷供給部１１１には、水冷装置に接続された水冷系配管を経由して、冷媒が供給される。ＭＯＣＶＤ装置１００は、成長室１０１の内部のガスを外部に排気するためのガス排気部１１２と、ガス排気部１１２に接続されたパージライン（図示せず）と、パージラインに接続された排ガス処理装置（図示せず）とを有している。成長室１０１の内部に導入されたガスは、ガス排気部１１２によって、成長室１０１の外部に排気される。排気されたガスは、パージラインを通って排ガス処理装置に導入される。排ガス処理装置は、排気されたガスを無害化する。

　図２は、本発明の実施の形態におけるシャワープレート１１３を示す断面図である。第一構成部材１０３１、および、第二構成部材１０３２によって、水冷供給部１１１が構成されている。ガス吐出パイプ１０３３は、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２に差し込まれている。シャワープレート１１３の製造方法を以下に説明する。各々の部品の材質は、たとえばステンレス（ＳＵＳ３１６）製である。第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２の各々のサイズおよび孔数については、外径φが８００ｍｍであり、板厚みが１０ｍｍであり、貫通孔数が５０００個である。ガス吐出パイプ１０３３は、円柱状のパイプであり、そのサイズおよび孔数については、外径がφ７ｍｍであり、内径がφ５ｍｍであり、個数は貫通孔数と同数の５０００個である。これらのサイズは、５４枚の基板（２インチ基板）に対応できる範囲である。これらのサイズは、基板のサイズまたは基板の搭載枚数に応じて変更可能であり、上記の値に限定されない。

　図３Ａ～図３Ｄは、それぞれ、シャワープレート１１３の製造方法の第１工程～第４工程を示す図である。図３Ａに示すように、第一構成部材１０３１に、ガス吐出パイプ１０３３を設置するための貫通孔１０３１ａが開けられる。貫通孔１０３１ａは、ザグリ段差部分１０３１ｂ（図４Ａ参照）を有する。貫通孔１０３１ａの開け方としては、貫通孔１０３１ａを開ける際にザグリ段差部分１０３１ｂを同時に形成することができる専用の刃物が用いられるとよい。第一構成部材１０３１の水平面に対して垂直な方向にドリルを用いて貫通部を開け、その後、その貫通部を中心とするフライス加工を実施してザグリ段差部分１０３１ｂを設け、貫通孔１０３１ａを形成するという方法が用いられてもよい。先にザグリ段差部分１０３１ｂを開け、その後、ザグリ段差部分１０３１ｂの中心に貫通部を開けて、貫通孔１０３１ａを形成するという方法が用いられてもよい。

　図４Ａは、第一構成部材１０３１の貫通孔１０３１ａを示す断面図である。図４Ｂは、第一構成部材１０３１の貫通孔１０３１ａのザグリ段差部分１０３１ｂの上にガス吐出パイプ１０３３が配置された状態を示す断面図である。図４Ａにおいて、直径Ｒは、第一構成部材１０３１の下面（原料ガスが吐出する面）側における貫通孔１０３１ａの直径の値である。直径Ｒ´は、第一構成部材１０３１の他面（上面）側における貫通孔１０３１ａの直径の値である。図４Ｂにおいて、外径ｒは、ガス吐出パイプ１０３３の外径の値である。貫通孔１０３１ａは、直径Ｒが、直径Ｒ´および外径ｒよりも小さく、且つ、直径Ｒ´が外径ｒよりも大きくなるように、第一構成部材１０３１に開けられる。すなわち、貫通孔１０３１ａは、以下に示す数式（１）の関係を満たすように、第一構成部材１０３１に開けられる。

　　　Ｒ＜ｒ＜Ｒ´・・・（１）
直径Ｒと直径Ｒ´との差によって、ザグリ段差部分１０３１ｂが形成される。ザグリ段差部分１０３１ｂの上にガス吐出パイプ１０３３の下面が載置されるように、ガス吐出パイプ１０３３は貫通孔１０３１ａの中に差し込まれる。ガス吐出パイプ１０３３は、第一構成部材１０３１の下面から飛び出さない。ガス吐出パイプ１０３３の下面近傍とザグリ段差部分１０３１ｂとの間の溶接箇所は、第一構成部材１０３１の下面に出ることはほとんど無い。第一構成部材１０３１の下面を旋盤等で二次加工する際の削りシロは、大きく確保されることができる。貫通孔１０３１ａの深さ（ザグリ段差部分１０３１ｂの位置）などについては、ガス吐出パイプ１０３３の大きさ、および、基板の加工条件などにより、最適化されるとよい。

　図３Ｂに示す状態では、第一構成部材１０３１に必要数の貫通孔１０３１ａが開けられており、複数の貫通孔１０３１ａの各々に、ガス吐出パイプ１０３３が１本ずつ差し込まれている。この状態で、ザグリ段差部分１０３１ｂの近傍とガス吐出パイプ１０３３の下面近傍とが溶接される。溶接においては、リークが発生しないように、ザグリ段差部分１０３１ｂの近傍とガス吐出パイプ１０３３の下面近傍との間の部分の全周が溶接される。ザグリ段差部分１０３１ｂを有する貫通孔１０３１ａが第一構成部材１０３１に設けられていることで、第一構成部材１０３１のザグリ段差部分１０３１ｂの近傍も融解する。ザグリ段差部分１０３１ｂの近傍は、溶接部補完材として機能するため、溶接棒の代わりとなる。溶接対象個所の表面に凸凹が形成されることはなく、ザグリ段差部分１０３１ｂの近傍とガス吐出パイプ１０３３の下面近傍との間の部分を適切に溶接することが可能となる。貫通孔１０３１ａにガス吐出パイプ１０３３が差し込まれた際に、ガス吐出パイプ１０３３の下面側の部分はザグリ段差部分１０３１ｂの近傍に確実に収められ、高さ方向の寸法を揃えることが可能となる。ザグリ段差部分１０３１ｂの近傍とガス吐出パイプ１０３３の下面近傍との間の部分は、安定した状態で容易に溶接されることが可能となる。この段階で溶接が完了した状態は、第一構成部材１０３１とガス吐出パイプ１０３３とが仮に固定されており、いわゆる仮止めの状態が形成されている。後述する本溶接が実施されることによって、第一構成部材１０３１とガス吐出パイプ１０３３とは、ピンホール等がない状態で溶接され、リークの発生は完全に防止される。

　次に、第一構成部材１０３１の製造方法と同様の方法を用いて、第二構成部材１０３２が加工される。第二構成部材１０３２には、ガス吐出パイプ１０３３を通すための貫通孔１０３２ａが開けられる。貫通孔１０３２ａが第二構成部材１０３２に開けられる本数は、ガス吐出パイプ１０３３の本数と同じである。貫通孔１０３２ａは、ザグリ段差部分１０３２ｂ（図５参照）を有する。ザグリ段差部分１０３２ｂは、略円形の形状を有し、ガス吐出パイプ１０３３の出口部分においてガス吐出パイプ１０３３の外周を囲むように設けられる。

　図５は、第二構成部材１０３２の貫通孔１０３２ａを示す断面図である。貫通孔１０３２ａにおいて、第二構成部材１０３２の下面側における貫通孔１０３２ａの直径Ｒ´は、第一構成部材１０３１の貫通孔１０３１ａにおける直径Ｒ´（図４Ａ参照）と略等しい。第二構成部材１０３２の下面側における貫通孔１０３２ａの直径Ｒ´は、ガス吐出パイプ１０３３の外径ｒ（図４Ｂ参照）より大きく、かつ、ザグリ段差部分１０３２ｂの外径Ｒ´´よりも小さい。すなわち、貫通孔１０３２ａは、以下に示す数式（２）の関係を満たすように、第二構成部材１０３２に開けられる。第一構成部材１０３１における直径Ｒ´の大きさおよび第二構成部材１０３２における直径Ｒ´の大きさについて、穴あけ加工時の誤差は、ここでは考慮しないこととする。ザグリ段差部分１０３２ｂの外径Ｒ´´、および、ザグリ段差部分１０３２ｂの深さ（ザグリ段差部分１０３２ｂが設けられる位置）は、差し込まれるガス吐出パイプ１０３３の厚み等の条件により、適宜設定される。

　　　ｒ＜Ｒ´＜Ｒ´´・・・（２）
　次に、図３Ｃに示すように、第一構成部材１０３１の上方から第一構成部材１０３１に対して蓋をするように、第二構成部材１０３２が第一構成部材１０３１に取り付けられる。ガス吐出パイプ１０３３は、第二構成部材１０３２の貫通孔１０３２ａに差し込まれる。第一構成部材１０３１と第二構成部材１０３２とは、ねじ止めされる。第一構成部材１０３１、および、第二構成部材１０３２によって、水冷供給部１１１が構成される。水冷供給部１１１に冷却水を通すことにより、シャワープレート近傍での原料ガスの反応が抑えられる。

　本実施の形態の図３Ｃに示す状態では、ガス吐出パイプ１０３３は、第二構成部材１０３２上面から１．５ｍｍの長さ分だけ突き出している。ガス吐出パイプ１０３３のうちの突き出た部分とザグリ段差部分１０３２ｂの近傍との間の部分は、溶接される。ガス吐出パイプ１０３３のうちの長く突き出た部分は、溶けて、ザグリ段差部分１０３２ｂへと流れ込む。ガス吐出パイプ１０３３のうちの長く突き出た部分は、溶接部補完材として働く。結果として、肉盛を生じることなく、平面を形成することができる。図３Ｃにおいて、黒い丸で示された部分が、全て溶接される。溶接の手順としては、第一構成部材１０３１の下面の貫通孔１０３１ａの周辺の溶接と、第二構成部材１０３２の上面からの貫通孔１０３２ａの周辺の本溶接とが、交互に実施されるとよい。望ましくは、第一構成部材１０３１の下面の貫通孔１０３１ａの周辺の溶接と、第二構成部材１０３２の上面からの貫通孔１０３２ａの周辺の本溶接とが、互いに離れた部分から順に実施される。当該構成によれば、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２に歪みが生じることを、極力抑えることが可能となる。溶接に用いられる材料、あるいは、溶接の際の状況などにより、溶接のための最適な条件は変化する。したがって、溶接対象箇所に対する溶接実施の順番、溶接のスピード、および、溶接に用いられる電圧に関しては、特に限定されない。溶接対象箇所に対する溶接実施の順番などは、使用される材料および材質などに応じて、適宜変化させるとよい。本実施の形態の溶接構造においては、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２はそれぞれ異なる形状を有しているが、これらは双方とも同じ形状を有するように製造されてもよい。

　反りの発生に関して、第一構成部材１０３１、第二構成部材１０３２、および、ガス吐出パイプ１０３３は、溶接時に融解するため、これらに熱が発生することは避けられない。熱の発生に起因する反りの発生を抑制するために、たとえば図６に示すような、固定部材１１４が用いられるとよい。溶接の開始前に、固定部材１１４を用いて、第一構成部材１０３１、第二構成部材１０３２、および、ガス吐出パイプ１０３３が組み立てられる。第一構成部材１０３１の外周部分および第二構成部材１０３２の外周部分は、固定部材１１４によって挟み込まれる。この状態で、溶接が実施される。固定部材１１４は、たとえばドーナツ形状を有している。固定部材１１４は、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２に発生する反りに負けない強度を有する。固定部材１１４は、少なくとも第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２を合わせた以上の厚みを有していることが望ましい。固定部材１１４を用いることにより、シャワープレート１１３は、まったく反ることがなくなり、安定した溶接を実施することが可能となる。

　全てのガス吐出パイプ１０３３の周辺に対する溶接が完了し、溶接箇所が固定された後、固定部材１１４が第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２から離脱される。その後、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２同士の接合部分に、溶接が実施される。

　最後に、図３Ｄに示すように、第一構成部材１０３１から第二構成部材１０３２にかけて、あるいは、第二構成部材１０３２から第一構成部材１０３１にかけて、ドリル等を用いた切削が行われる。溶接のときにガス吐出パイプ１０３３の周囲および内部に付着した余分な材料は、ドリル加工などによって削り落とされる。さらに、第一構成部材１０３１の表面は、旋盤あるいは平面研削盤等を用いて、平坦化される。

　第二構成部材１０３２の上面においては、ガス吐出パイプ１０３３のうちの突き出た部分が削られる。第二構成部材１０３２の上面は、平坦になるまで削られる。この際、削り取られるべき範囲としては、溶接箇所が削り取られない程度にとどめられる。第一構成部材１０３１の下面は、付着した溶接材料を除去する程度に削られる。この際も、削り取られるべき範囲としては、溶接箇所が削り取られない程度にとどめられる。第一構成部材１０３１の下面は、第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２をあわせた厚みが、所望の厚みになるまで削られる。貫通孔を設けることにより、溶接による肉盛が抑えられ、シャワープレート１１３のガス吐出面を容易に平坦化することが可能となる。

　以上説明した手順により、シャワープレート１１３が作成される。このシャワープレート１１３を用いたＭＯＣＶＤ装置によれば、装置が大型化したりガス吐出孔の配置ピッチが細かくなったりすることに起因して孔数が増加したとしても、シャワーヘッド１０３に反りおよび歪みが発生すること、ならびに、シャワーヘッド表面に凹凸が発生することを抑制することができる。結果として、このＭＯＣＶＤ装置によれば、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを製造することが可能となる。第一構成部材１０３１および第二構成部材１０３２によって形成された水冷供給部１１１により、原料ガスを冷却し、余分な生成物の付着を防止することも可能となる。

　＜比較例＞
　本発明に基づく実施の形態の効果を実証するために、以下のような比較実験を行った。

　図７は、従来の方法で作成されたシャワープレート５１３の断面図である。シャワープレート５１３においては、第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２によって、水冷供給部５１１が構成される。ガス吐出パイプ５０３３は、第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２に差し込まれている。シャワープレート５１３の製造方法を以下に説明する。

　上記の実施の形態で用いたものと同じ基板および同じガス吐出パイプを用意し、貫通孔の数は、上記の実施の形態と同様に５０００個である。第一構成部材５０３１には、ガス吐出パイプ５０３３を差込むための貫通孔が開けられており、その貫通孔にガス吐出パイプ５０３３が差し込まれている。必要数の差込が終わると、第一構成部材５０３１の貫通孔の内周部分とガス吐出パイプ５０３３の外周部分との間の部分が仮溶接される。水冷供給部５１１の下側の部分が構成される。この時、溶接においては、リークが発生しないように、上記実施の形態と同様に、全箇所に対して全周溶接が実施される。次に、第一構成部材５０３１に対して第二構成部材５０３２が蓋をするように、第二構成部材５０３２が第一構成部材５０３１に取り付けられる。第二構成部材５０３２には、第一構成部材５０３１と同様に、ガス吐出パイプ５０３３の外径よりも少し大きい貫通孔が開けられている。その貫通孔に、第一構成部材５０３１に溶接されているガス吐出パイプ５０３３が差し込まれる。差し込みが完了すると、第一構成部材５０３１の内周部分およびガス吐出パイプ５０３３の外周部分、ならびに、第二構成部材５０３２の内周部分およびガス吐出パイプ５０３３の外周部分に対して、全周溶接が実施される。図７における黒い丸は、溶接箇所を示している。第一構成部材５０３１とガス吐出パイプ５０３３との間の５０００箇所、ならびに、第二構成部材５０３２とガス吐出パイプ５０３３との間の５０００箇所、合わせて１００００箇所の溶接が実施される。第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２とガス吐出パイプ５０３３とを溶接した際に材料自体が融解することにより発生する凹み部分については、各々の材料を溶接した後に、凹み部分に各材料と同じＳＵＳ３１６よりなる溶接棒が差し込まれる。溶接棒が融解され、凹み部分の解消が行われる。最後に、第一構成部材５０３１の外周全体と第二構成部材５０３２の外周全体とが溶接され、水冷供給部５１１が構成される。

　図８Ａは、上記の方法にて作成されたシャワープレート５１３を示す平面図である。図８Ｂは、図８Ａ中におけるＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿った矢視断面図である。図８Ｃは、図８Ａ中におけるＶＩＩＩＣ－ＶＩＩＩＣ線に沿った矢視断面図である。反りおよび歪みに関して、中心部分と外周部分との高さの差ｔ（図８Ｂおよび図８Ｃ参照）を測定したところ、差ｔの値はおよそ１２ｍｍ程度であった。肉眼で見ても、かなりの大きさを有する反りが形成された。反りの方向に関しては、シャワープレート５１３の中心部部分が凹み、シャワープレート５１３の全体が椀状に反ってしまい、中心部分にもっとも大きい反り形状が形成された。

　溶接棒を入れる前の状態での融解による凹み部分は、およそ２ｍｍとなった。許容される反りの値は、反応ガスの流速およびシュミレーション結果（図示せず）から、０．１ｍｍ以下であることが望ましい。今回の結果から判断すると、シャワープレート５１３は、使用に耐え難いものであることが分かる。凹み部分に溶接棒を挿した状態で溶接した部分については、必要な平面に対して、２ｍｍ以上の凸形状を有する盛り上がり（肉盛）が形成された。凹み部分に溶接棒を挿した状態で溶接した部分についても、反りを補正した後に、肉盛部分を２次加工により除去しなければならない状態となった。

　次に、上記の１２ｍｍ程度の反りを補正するために、反りと反対方向からシャワープレート５１３に対して３００トン以上の力を付与してシャワープレート５１３を塑性変形させ、反りの補正を行った。１２ｍｍの反りを補正するときは、反りの反対方向に沿って、２６ｍｍ以上のプレスをシャワープレート５１３に対して複数箇所行なった。２６ｍｍ以上のプレスは、材料の塑性領域を超える値である。このプレスの実施によって、１２ｍｍの反りを解消することに成功した。しかしながら、ヘリウムを用いた減圧透過検査によりリークの有無を調べたところ、３０００箇所程度からリークが発見された。シャワープレート５１３の表面を観察すると、溶接箇所に亀裂が発生している箇所も発見された。第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２の溶接箇所以外の箇所についても、亀裂が発生している箇所が発見された。この理由は、反りを補正するために、３００トン以上の力をシャワープレート５１３に付与し、シャワープレート５１３を２６ｍｍ以上塑性変形をさせたことにより、発生したものと考えられる。上述の肉盛部分についても、２次加工し除去を実施したが、凸部分が２ｍｍ以上あるため、除去加工が非常に困難なものであり、除去しきれない部分も発生していた。

　上記の結果を分析すると、反りの発生の原因は、第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２とガス吐出パイプ５０３３との溶接時の熱というよりむしろ、溶接後の凹みを解消するために溶接棒を再度融解し、より多くの熱を入れたことに起因していることが判明した。溶接箇所、第一構成部材５０３１および第二構成部材５０３２に発生した割れについては、シャワープレート５１３を塑性変形させ、シャワープレート５１３の反りを補正したことにより生じたということも判明した。溶接箇所においては、融解範囲（熱が影響を与える部分）が想定以上に大きく、シャワーヘッドの表面が凸凹になるという結果が得られた。

　これらの結果より、シャワーヘッドの水冷供給部を構成する第一構成部材および第二構成部材とガス吐出パイプとの溶接において、第一構成部材および第二構成部材にザグリ段差部分を有する貫通孔を設けることにより、シャワープレートの反りおよび歪みを抑えることができ、肉盛による表面の凹凸を少なくすることができることがわかる。第一構成部材および第二構成部材によって構成された水冷供給部により、シャワーヘッド内部で原料ガスが高温になり反応するのを抑制することができる。よって、このシャワープレートをＭＯＣＶＤ装置に用いることで、装置の大型化にも対応でき、均一な膜厚および均一な組成比を有する良質な半導体デバイスを製造することが可能となることがわかる。

　本発明は、シャワーヘッド上部の空間にガスを導入し、シャワープレートに設けられた複数のガス吐出孔より被処理基板の表面に反応ガスを供給するシャワーヘッドを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置に好適に利用できる。

　１００，６００，８００　ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）、１０１，６１１　成長室、１０２，６０１　反応炉、１０３　シャワーヘッド、１０４，６１２　回転軸、１０５　ヒータカバー、１０６　支持台、１０７，６０９，８０８　ヒータ、１０８，６０８　サセプタ、１０９ａ　第１ガス分配空間、１０９ｂ　第１ガス配管、１０９ｃ　第１ガス流路、１１０ａ　第２ガス分配空間、１１０ｂ　第２ガス配管、１１０ｃ　第２ガス流路、１１１，５１１　水冷供給部（冷却用空洞部）、１１２，６０４　ガス排気部、１１３，５１３，６１０，７０１，８１３　シャワープレート、１１４　固定部材、６０２　ガス供給源、６０３　ガス配管、６０５　パージライン、６０６　排ガス処理装置、６０７，７０４，８０６　基板、７００　気相成長装置、７０２　冷却チャンバ、７０３　側壁、８０１　成長チャンバ、８０２　第１ガス供給コネクタ、８０３　第２ガス供給コネクタ、８０４　キャリアガス供給コネクタ、８０５　ドーパントガス供給コネクタ、８０７　保持台、８０９　ガス冷却部、８１０　冷却ジャケット、８１１　排気口、８１２　ガス通路、１０３１，５０３１　第一構成部材、１０３１ａ，１０３２ａ　貫通孔、１０３１ｂ，１０３２ｂ　ザグリ段差部分、１０３２，５０３２　第二構成部材、１０３３，５０３３　ガス吐出パイプ。

Claims

　気相成長装置（１００）に用いられるシャワープレート（１１３）の製造方法であって、
　第一構成部材（１０３１）および第二構成部材（１０３２）のそれぞれに、ザグリ段差部分（１０３１ｂ，１０３２ｂ）を有する貫通孔（１０３１ａ，１０３２ａ）を設ける工程と、
　前記第一構成部材の前記ザグリ段差部分（１０３１ｂ）にガス吐出パイプ（１０３３）の一端を差し込む工程と、
　前記第一構成部材の前記ザグリ段差部分（１０３１ｂ）に差し込まれた前記ガス吐出パイプの他端が前記第二構成部材から突出するように、前記第二構成部材に設けられた前記貫通孔（１０３２ａ）に前記ガス吐出パイプを差し込む工程と、
　前記第一構成部材の前記ザグリ段差部分（１０３１ｂ）および前記ガス吐出パイプ（１０３３）同士を溶接する第一溶接工程と、
　前記第二構成部材の前記ザグリ段差部分（１０３２ｂ）および前記ガス吐出パイプ（１０３３）同士を溶接する第二溶接工程と、
　前記第一構成部材（１０３１）および前記第二構成部材（１０３２）同士を溶接する工程と、を備える、
シャワープレートの製造方法。
　前記シャワープレート（１１３）は、冷却用空洞部（１１１）を有する、
請求項１に記載のシャワープレートの製造方法。
　前記第一構成部材（１０３１）、前記第二構成部材（１０３２）、および、前記ガス吐出パイプ（１０３３）は、同一の材料よりなる、
請求項１に記載のシャワープレートの製造方法。
　前記第一溶接工程およびまたは前記第二溶接工程において、溶接された部分が前記第一構成部材（１０３１）および前記第二構成部材（１０３２）の表面に突出しないように溶接される、
請求項１に記載のシャワープレートの製造方法。
　前記第一溶接工程およびまたは前記第二溶接工程において、前記第一構成部材（１０３１）および前記第二構成部材（１０３２）が互いに固定された状態で溶接が行われる、
請求項１に記載のシャワープレートの製造方法。
　請求項１に記載のシャワープレートの製造方法を用いて製造される、
シャワープレート。
　請求項６に記載のシャワープレートを用いる、
気相成長装置。