WO2018135422A1 - 気相成長装置 - Google Patents

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vapor phase
substrate
electromagnetic wave
growth apparatus
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謙太郎 永松
本田　善央
天野　浩
俊也 田渕
Original Assignee
国立大学法人名古屋大学
大陽日酸株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process

Definitions

  • the technology of this specification has been made to solve the problems of the conventional technology described above.
  • the problem is to provide a vapor phase growth apparatus capable of in-situ observation of the state of a semiconductor layer with high accuracy.
  • This vapor phase growth apparatus irradiates an electromagnetic wave toward a substrate and receives a reflected wave or a scattered wave. Therefore, the vapor phase growth apparatus can observe in situ the state of the substrate or the semiconductor layer growing on the substrate.
  • electromagnetic waves include visible light, X-rays, and lasers.
  • the vapor phase growth apparatus has a gas outflow protection part outside the reaction chamber.
  • the gas outflow protection part has one or more window members, an electromagnetic wave passage chamber communicating with the reaction chamber via the one or more through holes, and an inert gas introduction port for introducing an inert gas into the electromagnetic wave passage chamber.
  • the electromagnetic wave irradiation unit allows the electromagnetic wave to pass through one of the one or more window members and then to pass through one of the one or more through holes.
  • the electromagnetic wave irradiation unit irradiates at least one of visible light and X-rays.
  • the electromagnetic wave receiving unit receives at least one of visible light and X-rays.
  • a vapor phase growth apparatus includes a reflected wave receiving unit that receives a reflected wave from a substrate or a semiconductor layer grown on the substrate, and a scattered wave receiving unit that receives a scattered wave from the substrate or the semiconductor layer. And having.
  • the reaction chamber top plate 101 has a through hole 101a.
  • the through hole 101 a is formed in a region where the susceptor 210 is projected onto the reaction chamber top plate 101.
  • the through hole 101a is a circular hole having a diameter of about 1 cm. Since there is the through hole 101a in this way, the reaction chamber 100 and an electromagnetic wave passage chamber 401 described later are in communication. As will be described later, the through-hole 101a is provided so as not to block electromagnetic waves emitted from the light emitting unit 510.
  • the source gas inlet 310 is for introducing a source gas for growing a group III nitride semiconductor layer into the reaction chamber 100.
  • the vapor phase growth apparatus 1000 supplies the source gas from a direction substantially parallel to the plate surface of the substrate S1.
  • the angle formed by the line connecting the source gas inlet 310 and the gas outlet 320 and the plate surface of the substrate S1 is ⁇ 20 ° to 20 °.
  • the source gas inlet 310 supplies a mixed gas of source gas and carrier gas to the reaction chamber 100 in the direction of arrow J1. Therefore, the source gas inlet 310 is disposed on the upstream side of the gas flow in the reaction chamber 100.
  • the source gas examples include an organometallic gas containing a group III element such as trimethylgallium, trimethylindium, and trimethylaluminum. Moreover, ammonia is mentioned as a nitrogen source. Examples of the carrier gas include N 2 and H 2 . These gases are examples, and gases other than those described above may be used.
  • the gas outflow protection unit 400 is disposed outside the reaction chamber 100.
  • the gas outflow protection unit 400 includes an inner wall 410, an inert gas inlet 420, a window 430, and an electromagnetic wave passage chamber 401.
  • the gas outflow protection unit 400 houses an electromagnetic wave passage chamber 401 surrounded by an inner wall 410.
  • the electromagnetic wave passage chamber 401 communicates with the reaction chamber 100 through the through hole 101a.
  • the volume of the electromagnetic wave passage chamber 401 is sufficiently smaller than the volume of the reaction chamber 100.
  • the inert gas inlet 420 is for introducing an inert gas into the electromagnetic wave passage chamber 401.
  • the inert gas inlet 420 introduces, for example, N 2 into the electromagnetic wave passage chamber 401 in the direction of the arrow K1.
  • the inert gas inlet 420 is for preventing the source gas from escaping to the electromagnetic wave passage chamber 401 by supplying the inert gas to the electromagnetic wave passage chamber 401.
  • the inert gas inlet 420 is for maintaining the pressure of the electromagnetic wave passage chamber 401 at the same level as the pressure of the reaction chamber 100. Therefore, the inert gas inlet 420 supplies a small amount of gas compared to the raw material gas inlet 310. Thereby, the turbulent flow of gas hardly occurs in the vicinity of the through hole 101a.
  • the surface state of the semiconductor layer can be measured with very high accuracy. Further, by using the laser interference technique, the warpage of the substrate S1, the film thickness of the semiconductor layer, the arrangement environment of the semiconductor layer, and the like can be measured. Further, the thickness of the semiconductor layer and the solid composition of the semiconductor layer can be measured by ellipsometry.
  • the vapor phase growth apparatus 1000 can observe a semiconductor layer in the process of growth in situ. That is, the vapor phase growth apparatus 1000 can monitor the state of the semiconductor layer. Therefore, the vapor phase growth apparatus 1000 can output the horizontal axis as time and the vertical axis as a physical quantity such as a film thickness.
  • the physical quantity is not limited to one type.
  • the source gas inlet 310 supplies the source gas into the reaction chamber 100 while the heater 220 adjusts the temperature of the substrate S1.
  • the inert gas inlet 420 continues to supply the inert gas.
  • the source gas inlet 310 supplies the source gas at a flow rate of, for example, 5 slm or more and 50 slm or less.
  • the inert gas inlet 420 supplies the inert gas at a flow rate of 20 sccm or more and 500 sccm or less, for example. If an abnormality appears in the crystallinity of the semiconductor layer, an undesirable semiconductor layer is removed with a desired film thickness using etching with hydrogen gas or the like. Thereby, a semiconductor layer having excellent crystallinity can be grown on the substrate S1.
  • the material of the susceptor 210 of this embodiment is, for example, SiC.
  • the light emitting unit 510 emits electromagnetic waves toward the susceptor 210.
  • SiC is gray or black. Therefore, SiC is easy to absorb light.
  • the material of the susceptor 210 is preferably a white material that easily reflects or scatters light.
  • An example of such a white material is BN.
  • the material of the susceptor 210 is preferably a material having a reflectance of 40% or more with respect to light having a wavelength of 500 nm.
  • the susceptor 210 is rotatable around the center of the substrate S1.
  • the light emitting unit 510 emits electromagnetic waves from the center O1 of the substrate S1 to the end Q1 of the substrate S1. Therefore, the vapor phase growth apparatus can measure all positions on the plate surface of the substrate S1. In FIG. 3, an orientation flat OF is shown.
  • the light emitting unit 510 is disposed to be inclined with respect to a direction perpendicular to the plate surface of the substrate S1.
  • the angle ⁇ between the plate surface direction of the substrate S1 and the direction in which the light emitting unit 510 is arranged with respect to the plate surface of the substrate S1 is about 30 ° to 70 °.
  • the light receiving unit 520 is arranged to be inclined with respect to a direction perpendicular to the plate surface of the substrate S1.
  • the angle ⁇ between the plate surface direction of the substrate S1 and the direction in which the light receiving unit 520 is disposed with respect to the plate surface of the substrate S1 is about 30 ° to 70 °.
  • the light emitting unit 510 passes the electromagnetic wave through one of the one or more window members and then passes it through one of the one or more through holes to irradiate the susceptor 210.
  • the light receiving unit 520 receives the electromagnetic wave passed through one of the one or more through holes.

Abstract

本技術の目的は、半導体層の状態を高い精度でその場観察することのできる気相成長装置を提供することである。気相成長装置（１０００）は、サセプター（２１０）と、反応室（１００）と、原料ガス導入口（３１０）と、ガス排出口（３２０）と、サセプター（２１０）に向けて電磁波を照射する発光部（５１０）と、電磁波を受信する受光部（５２０）と、を有する。原料ガス導入口（３１０）とガス排出口（３２０）とを結ぶ線と、基板（Ｓ１）の板面と、がなす角の角度が－２０°以上２０°以下である。反応室（１００）は、サセプター（２１０）と対面する反応室天板（１０１）を有する。反応室天板（１０１）は、貫通孔（１０１ａ）を有する。発光部（５１０）は、電磁波を貫通孔（１０１ａ）を通過させてサセプター（２１０）に向けて照射する。受光部（５２０）は、貫通孔（１０１ａ）を通過した電磁波を受信する。

Description

気相成長装置
　本明細書の技術分野は、その場観察しつつ半導体層を気相成長させる気相成長装置に関する。
　半導体層を成長させる方法として、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法等の気相成長法、フラックス法等の液相成長法がある。気相成長法を用いる場合には、サセプター等の基板支持部に取り付けた基板の上に半導体層を成長させる。そのため、半導体層の成長に際して、基板もしくは半導体層の状態をその場観察することができることが好ましい。
　例えば、特許文献１には、測定窓７を介して放射温度計８により半導体基板３の温度を測定することのできる気相成長装置が開示されている（特許文献１の段落［００１０］および図１参照）。また、反応管１と半導体基板保持台２との間に保護管１０が設けられている。保護管１０には開口が設けられている。そして、測定窓７に付着する反応物を除去するために、反応管１と保護管１０との間にエッチングガスを流すことができるようになっている。
特開平８－２３６４５０号公報
　このように、特許文献１の技術では、基板または半導体層の温度を測定することができる。しかし、測定できるのは基板または半導体層の温度にとどまる。つまり、実際に成長させた半導体層のより詳細な状態をその場観察できるわけではない。
　そのため、電磁波により基板または半導体層をその場観察する方法が考えられる。その場合には、基板の直上から行うことが好ましい。しかし、観察用の窓を基板の直上に配置すると、気相成長装置の反復使用によりその窓には黒色の汚れが付着するという問題が生じる。
　本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、半導体層の状態を高い精度でその場観察することのできる気相成長装置を提供することである。
　第１の態様における気相成長装置は、基板を支持する基板支持部と、基板支持部を収容する反応室と、反応室に原料ガスを供給する原料ガス導入口と、反応室からガスを排出するガス排出口と、基板支持部に向けて電磁波を照射する電磁波照射部と、電磁波を受信する電磁波受信部と、を有する。原料ガス導入口とガス排出口とを結ぶ線と、基板の板面と、がなす角の角度が－２０°以上２０°以下である。反応室は、基板支持部と対面する天板を有する。天板は、１以上の貫通孔を有する。電磁波照射部は、電磁波を１以上の貫通孔のうちの１つに通過させて基板支持部に向けて照射する。電磁波受信部は、１以上の貫通孔のうちの１つに通過させた電磁波を受信する。
　この気相成長装置は、電磁波を基板に向けて照射し、その反射波または散乱波を受信する。そのため、気相成長装置は、基板または基板の上で成長中の半導体層の状態についてその場観察することができる。ここで、電磁波は、可視光、Ｘ線、レーザーを含む。
　第２の態様における気相成長装置は、反応室の外部にガス流出保護部を有する。ガス流出保護部は、１以上の窓部材と、１以上の貫通孔を介して反応室と連通する電磁波通過室と、電磁波通過室に不活性ガスを導入する不活性ガス導入口と、を有する。電磁波照射部は、電磁波を１以上の窓部材のうちの１つに通過させた後に１以上の貫通孔のうちの１つに通過させる。
　第３の態様における気相成長装置においては、電磁波照射部は、可視光とＸ線との少なくとも一方を照射する。電磁波受信部は、可視光とＸ線との少なくとも一方を受信する。
　第４の態様における気相成長装置は、可視光を照射する可視光照射部と、可視光を受信する可視光受信部と、Ｘ線を照射するＸ線照射部と、Ｘ線を受信するＸ線受信部と、を有する。
　第５の態様における気相成長装置は、基板または基板の上に成長させた半導体層からの反射波を受信する反射波受信部と、基板または半導体層からの散乱波を受信する散乱波受信部と、を有する。
　第６の態様における気相成長装置においては、基板支持部は、基板の中心のまわりに回転可能である。貫通孔は長穴である。電磁波照射部は、基板の中心から基板の端部まで電磁波を照射する。
　第７の態様における気相成長装置においては、基板支持部の材質は、５００ｎｍの波長の光に対する反射率が４０％以上の材料である。
　第８の態様における気相成長装置においては、電磁波照射部または電磁波受信部と１以上の貫通孔のうちの１つとの間の位置にハーフミラーが配置されている。
　本明細書では、半導体層の状態を高い精度でその場観察することのできる気相成長装置が提供されている。
第１の実施形態における気相成長装置の構造を示す概略構成図である。 成膜時間と散乱光の強度との関係を示すグラフである。 第１の実施形態における気相成長装置の貫通孔と基板との間の位置関係を示す図である。 第２の実施形態における気相成長装置の構造を示す概略構成図である。 第３の実施形態における気相成長装置の構造を示す概略構成図である。
　以下、具体的な実施形態について、気相成長装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
　第１の実施形態について説明する。
１．気相成長装置
　図１は、本実施形態の気相成長装置１０００の概略構成を示す図である。気相成長装置１０００は、基板Ｓ１の上にIII 族窒化物半導体層を成長させるためのものである。気相成長装置１０００は、反応室１００と、サセプター２１０と、ヒーター２２０と、回転軸２３０と、モーター２４０と、原料ガス導入口３１０と、ガス排出口３２０と、ガス流出保護部４００と、発光部５１０と、受光部５２０と、制御部７００と、を有している。なお、基板Ｓ１は、半導体層の成膜時にサセプター２１０に取り付けるものである。そのため、基板Ｓ１は、気相成長装置１０００の構成要素ではない。
　反応室１００は、その内部で基板Ｓ１の上にIII 族窒化物半導体層を成長させるためのものである。そのため、反応室１００は、その内部にサセプター２１０を収容している。サセプター２１０は、基板Ｓ１を支持するための基板支持部である。サセプター２１０の材質は、例えば、ＳｉＣである。または、炭素素材の表面にＳｉＣをコーティングしたものであってもよい。
　ヒーター２２０は、サセプター２１０を加熱するためのものである。実際には、ヒーター２２０は、サセプター２１０を介して基板Ｓ１を加熱する。回転軸２３０は、モーター２４０からの回転駆動をサセプター２１０に伝達するためのものである。モーター２４０は、回転軸２３０を介してサセプター２１０を回転させるためのものである。実際には、モーター２４０からの回転駆動により、サセプター２１０に支持されている基板Ｓ１が、基板Ｓ１の中心を中心として回転する。
　反応室１００は、反応室天板１０１と、反応室底板１０２と、反応室側板１０３、１０４と、を有する。反応室天板１０１は、サセプター２１０と対面している。サセプター２１０の表面の高さは、反応室底板１０２の表面の高さと、ほぼ同じである。また、基板Ｓ１がサセプター２１０に取り付けられた場合には、基板Ｓ１の表面の高さは、反応室底板１０２の表面の高さとほぼ同じである。
　反応室天板１０１は、貫通孔１０１ａを有している。貫通孔１０１ａは、サセプター２１０を反応室天板１０１に射影した領域内に形成されている。貫通孔１０１ａは、直径１ｃｍほどの円形の孔である。このように貫通孔１０１ａがあるために、反応室１００と後述する電磁波通過室４０１とは、連通している。貫通孔１０１ａは、後述するように、発光部５１０から照射される電磁波を遮らないようにするためのものである。
　原料ガス導入口３１０は、III 族窒化物半導体層を成長させるための原料ガスを反応室１００に導入するためのものである。気相成長装置１０００は、基板Ｓ１の板面にほぼ平行な方向から原料ガスを供給する。原料ガス導入口３１０とガス排出口３２０とを結ぶ線と、基板Ｓ１の板面と、がなす角の角度が－２０°以上２０°以下である。実際には、原料ガス導入口３１０は、原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを反応室１００に矢印Ｊ１の向きに供給する。そのため、原料ガス導入口３１０は、反応室１００におけるガスの流れの上流側に配置されている。原料ガスとして、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム等のIII 族元素を含む有機金属ガスが挙げられる。また、窒素源としてアンモニアが挙げられる。キャリアガスとして例えば、Ｎ2 、Ｈ2 が挙げられる。これらのガスは例示であり、上記以外のガスを用いてもよい。
　ガス排出口３２０は、反応室１００の内部のガスを矢印Ｊ２の向きに排出するためのものである。そのため、ガス排出口３２０は、反応室１００におけるガスの流れの下流側に配置されている。
　また、気相成長装置１０００は、天板６０２と、側板６０３、６０４と、を有する。天板６０２と、側板６０３、６０４とは、反応室天板１０１とともに、上部空間６０１を構成する。上部空間６０１は、反応室１００とは連通していない。後述するように、ガス流出保護部４００が、反応室１００の内部と上部空間６０１とがつながることを防止している。側板６０３は、原料ガス導入口３１０の側に位置している。側板６０４は、ガス排出口３２０の側に位置している。
　ガス流出保護部４００は、反応室１００の外部に配置されている。ガス流出保護部４００は、内壁４１０と、不活性ガス導入口４２０と、窓４３０と、電磁波通過室４０１と、を有している。ガス流出保護部４００は、内壁４１０に囲まれた電磁波通過室４０１を収容している。電磁波通過室４０１は、貫通孔１０１ａを介して反応室１００と連通している。電磁波通過室４０１の容積は、反応室１００の容積に比べて十分に小さい。
　不活性ガス導入口４２０は、電磁波通過室４０１に不活性ガスを導入するためのものである。不活性ガス導入口４２０は、例えば、Ｎ2 を電磁波通過室４０１に矢印Ｋ１の向きに導入する。不活性ガス導入口４２０は、電磁波通過室４０１に不活性ガスを供給することにより、原料ガスが電磁波通過室４０１に逃げないようにするためのものである。不活性ガス導入口４２０は、電磁波通過室４０１の圧力を反応室１００の圧力と同程度に保持するためのものである。そのため、不活性ガス導入口４２０は、原料ガス導入口３１０に比べて少量のガスを供給する。これにより、貫通孔１０１ａの付近でガスの乱流がほとんど発生しない。
　窓４３０は、発光部５１０が照射する電磁波および受光部５２０が受光する電磁波を透過させるためのものである。そのため、窓４３０の材質は、電磁波を透過する材質である。例えば、ＳｉＯ2 である。電磁波を透過する素材であれば、その他の材質であってもよい。そして、窓４３０は、電磁波通過室４０１を密閉する役割も担っている。
　発光部５１０は、サセプター２１０に向けて電磁波を照射する電磁波照射部である。受光部５２０は、電磁波を受信する電磁波受信部である。ここで、電磁波とは、可視光、Ｘ線、レーザーを含む。発光部５１０は、電磁波を貫通孔１０１ａを通過させてサセプター２１０に向けて照射する。受光部５２０は、貫通孔１０１ａを通過した電磁波を受信する。そして、発光部５１０および受光部５２０は、発光部５１０で照射された電磁波が反応室天板１０１の貫通孔１０１ａを通過して基板Ｓ１またはサセプター２１０で反射または散乱し、その反射光または散乱光が貫通孔１０１ａを通過して受光部５２０に入るように配置されている。その結果、発光部５１０は、電磁波を窓４３０に通過させた後に貫通孔１０１ａに通過させる。
　制御部７００は、ヒーター２２０と、モーター２４０と、原料ガス導入口３１０と、不活性ガス導入口４２０と、発光部５１０と、受光部５２０と、を制御する。制御部７００は、受光部５２０で受光する電磁波を解析する。これにより、気相成長装置１０００は、後述するように、基板Ｓ１の上の半導体層の状態をモニタリングすることができる。
２．半導体層の観察
　成膜時の気相成長装置１０００においては、発光部５１０は、サセプター２１０に支持されている基板Ｓ１に向けて電磁波を照射する。その電磁波は、半導体層の表面、基板Ｓ１の表面、サセプター２１０の表面で反射または散乱される。もしくは、サセプター２１０の表面等で吸収される。反射波または散乱波は受光部５２０により受光される。このような反射波または散乱波を測定することにより、作業者は、基板Ｓ１の上に成膜された半導体層の状態をその場観察することができる。本実施形態の気相成長装置１０００では、発光部５１０は、可視光とＸ線との少なくとも一方を照射する。受光部５２０は、可視光とＸ線との少なくとも一方を受信する。
　ここで、基板Ｓ１の材料は、例えば、サファイア、ＧａＮである。または、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉなどの材質を用いてもよい。
２－１．Ｘ線
　発光部５１０が照射する電磁波として、Ｘ線を用いる場合について説明する。Ｘ線回折により、半導体層の内部の応力、半導体層の膜厚、半導体層の固体組成等を高精度に測定することができる。また、反射Ｘ線を解析することにより、半導体層の膜厚、半導体層の固体組成、半導体層の表面状態等を高精度に測定することができる。
２－２．可視光
　発光部５１０が照射する電磁波として、可視光を用いる場合について説明する。レーザー散乱技術を用いることにより、半導体層の表面状態を非常に高い精度で測定することができる。また、レーザー干渉技術を用いることにより、基板Ｓ１の反り、半導体層の膜厚、半導体層の配置環境等について測定することができる。また、偏光解析法により、半導体層の膜厚、半導体層の固体組成について測定することができる。
２－３．組み合わせ
　このように、Ｘ線、可視光（レーザーを含む）等を組み合わせて測定することにより、半導体層の種々の物理量を測定することができる。このとき気相成長装置１０００は、可視光を照射する可視光照射部と、可視光を受信する可視光受信部と、Ｘ線を照射するＸ線照射部と、Ｘ線を受信するＸ線受信部と、を有する。
３．フィードバック
　本実施形態では、気相成長装置１０００は、成長途中の半導体層をその場観察することができる。つまり、気相成長装置１０００は、半導体層の状態をモニタリングすることができる。そのため、気相成長装置１０００は、横軸を時間、縦軸を例えば膜厚等の物理量として、出力することができる。ここで、物理量は、１種類に限らない。
　例えば、作業者が、気相成長装置１０００が出力する半導体層の表面状態をモニタリングしている場合を仮定する。そして、半導体層の表面状態が荒れ始めたとする。すると、作業者は、反応室１００への原料ガスの供給を停止するとともに、反応室１００への水素ガスの供給を開始する。水素ガスは半導体層の表面をエッチングすることができる。作業者は、例えば、半導体層の表面の１００ｎｍだけを除去することができる。作業者は、このようなエッチングにより、表面状態の荒れを回復して半導体層を成長させることができる。
　すなわち、作業者は、気相成長装置１０００を用いることにより、フィードバック制御をしつつ基板Ｓ１の上に半導体層を成長させることができる。したがって、気相成長装置１０００により製造される半導体素子の歩留りは良好である。
４．成膜方法
　ここで、半導体層の成膜方法について説明する。まず、気相成長装置１０００のサセプター２１０に基板Ｓ１を取り付ける。次に、不活性ガス導入口４２０が、ガス流出保護部４００の電磁波通過室４０１に不活性ガスを供給する。そして、ヒーター２２０が、サセプター２１０を加熱する。原料ガス導入口３１０は、例えば、水素ガスを反応室１００に供給する。これにより、基板Ｓ１の表面をクリーニングする。
　次に、ヒーター２２０が基板Ｓ１の温度を調整しつつ、原料ガス導入口３１０が原料ガスを反応室１００の内部に供給する。この際に、不活性ガス導入口４２０は、不活性ガスを供給し続けている。この際、原料ガス導入口３１０は、例えば、５ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下の流量で原料ガスを供給する。一方、不活性ガス導入口４２０は、例えば、２０ｓｃｃｍ以上５００ｓｃｃｍ以下の流量で不活性ガスを供給する。そして、半導体層の結晶性に異常が表れたら、水素ガスによるエッチング等を用いて好ましくない半導体層を所望の膜厚で除去する。これにより、基板Ｓ１の上に結晶性に優れた半導体層を成長させることができる。
　このように、不活性ガス導入口４２０が供給する不活性ガスの流量は、原料ガス導入口３１０が供給する原料ガスの流量の１０倍以上２５００倍以下である。電磁波通過室４０１の内圧が反応室１００の内圧より低くならないようにするためである。このように、不活性ガスの流量は少なくてもよい。そして、電磁波通過室４０１の内圧と反応室１００の内圧とをほぼ等しくすることにより、貫通孔１０１ａの周辺におけるガスの流れがほとんど乱れない。つまり、基板Ｓ１の上に半導体層を好適にエピタキシャル成長させることができる。
５．成膜の具体例
　ここで、上記の実施形態における気相成長装置を用いて基板Ｓ１の上に半導体層を成長させる場合について説明する。
　図２は、成膜時間と散乱光の強度との関係を示すグラフである。つまり、図２は、実施形態の気相成長装置１０００を用いて半導体層の状態をモニタリングしつつ半導体層を成長させる場合の例を示している。本具体例においては、散乱光の強度は半導体層の表面状態を観察していることとする。
　図２の横軸は時間である。図２の縦軸は散乱光の強度である。図２に示すように、期間Ｔ１では、散乱光の強度はほぼ一定である。期間Ｔ２では、散乱光の強度は上昇している。期間Ｔ３では、散乱光の強度は減少し、期間Ｔ１の散乱光の強度に近づいている。期間Ｔ４では、散乱光の強度はほぼ一定であり、その強度は期間Ｔ１の場合と同程度である。
　期間Ｔ１では、半導体層の表面は良好である。そして、期間Ｔ２において、半導体層の表面が徐々に荒れ始めている。
　そのため、期間Ｔ３では、作業者が、半導体層の成長を停止するとともに、反応室にＨ2 ガスを導入している。そのため、半導体層の表面はエッチングされる。したがって、期間Ｔ３では、散乱光の強度が減少している。そして、期間Ｔ３の終了時刻においては、表面の荒れた層は除去されている。したがって、期間Ｔ４では、再び半導体層を成長させる。
　このようにして、結晶性に優れた半導体層を成長させることができる。このように、気相成長装置１０００を用いることにより、半導体素子の歩留りは確実に向上する。
６．変形例
６－１．ＭＶＰＥ
　本実施形態の気相成長装置１０００は、ＭＯＣＶＤ炉である。しかし、本実施形態の技術は、ＨＶＰＥ炉にも同様に適用することができる。また、その他の気相成長装置にも適用することができる。
６－２．半導体層の種類
　本実施形態の気相成長装置１０００は、III 族窒化物半導体層を成長させる。しかし、上記以外の半導体層を成長させてもよい。つまり、気相成長装置１０００は、ＧａＡｓ等のIII-V 族半導体層、またはIV族半導体層を成長させてもよい。
６－３．原料ガス導入口
　原料ガス導入口３１０は、２つあってもよい。そして、原料ガス導入口３１０の一方は、III 族元素を含む有機金属ガスを含むガスを反応室１００に導入する。原料ガス導入口３１０の他方は、窒素源であるアンモニアを含むガスを反応室１００に導入する。このように、原料ガスを別々に反応室１００に導入してもよい。
６－４．サセプターの材質
　本実施形態のサセプター２１０の材質は、例えば、ＳｉＣである。しかし、本実施形態では、発光部５１０がサセプター２１０に向けて電磁波を照射する。ＳｉＣは灰色または黒色である。そのため、ＳｉＣは、光を吸収しやすい。気相成長装置１０００は、反射波または散乱波を観測するため、サセプター２１０の材質は、光を反射または散乱させやすい白色の材料であるとよい。このような白色の材質として例えば、ＢＮが挙げられる。また、サセプター２１０の材質は、５００ｎｍの波長の光に対する反射率が４０％以上の材料であるとよい。
６－５．長穴
　本実施形態の貫通孔１０１ａは、円形の孔である。図３は、本実施形態の変形例における貫通孔１０１ｂと基板Ｓ１とを示す図である。図３に示すように、貫通孔１０１ｂの形状は長穴である。長穴における長いほうの径（長さ）は、基板Ｓ１の半径より大きい。そして、図３は、貫通孔１０１ｂを基板Ｓ１に射影した位置関係で貫通孔１０１ｂおよび基板Ｓ１を描いたものである。そのため、基板Ｓ１の板面に垂直な方向から貫通孔１０１ｂを視ると、基板Ｓ１の中心Ｏ１から基板Ｓ１の端部Ｑ１までの細長い領域が視える。
　ここで、サセプター２１０は、基板Ｓ１の中心のまわりに回転可能である。発光部５１０は、基板Ｓ１の中心Ｏ１から基板Ｓ１の端部Ｑ１まで電磁波を照射する。そのため、気相成長装置は、基板Ｓ１の板面の全ての位置について測定することができる。なお、図３では、オリエンテーションフラットＯＦが示されている。
６－６．制御部
　本実施形態では、作業者が、反射光または散乱光の測定値を把握し、成膜中の半導体層のうち表面が荒れている部分を除去する。しかし、作業者の代わりに、制御部７００が、成膜中の半導体層のうち表面が荒れている部分を除去することとしてもよい。その場合には、制御部７００は、反射波または散乱波の強度が予め定めた閾値以上になった場合に、半導体層の成長を停止するとともに半導体層の所定の膜厚をエッチングする。または、制御部７００は、予め定めた期間内における反射波または散乱波の強度の上昇量が予め定めた閾値以上になった場合に、半導体層の成長を停止するとともに半導体層の所定の膜厚をエッチングする。
６－７．組み合わせ
　上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
７．本実施形態のまとめ
　本実施形態の気相成長装置１０００は、反応室１００と、サセプター２１０と、発光部５１０と、受光部５２０と、を有する。発光部５１０は、サセプター２１０の支持されている基板Ｓ１に向けて電磁波を照射する。受光部５２０は、基板Ｓ１または半導体層で反射または散乱された光を受光する。これにより、気相成長装置１０００は、基板Ｓ１の上の半導体層の状態をモニタリングすることができる。したがって、気相成長装置１０００は、歩留まり良く半導体素子を製造することができる。
（第２の実施形態）
　第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との間の相違点は、ガス流出保護部である。したがって、異なっている点について説明する。
１．気相成長装置
　図４は、本実施形態の気相成長装置２０００の概略構成を示す図である。図４に示すように、気相成長装置２０００は、ガス流出保護部２４００を有している。
　ガス流出保護部２４００は、内壁２４１０と、不活性ガス導入口２４２０と、窓２４３１、２４３２と、電磁波通過室２４０１と、を有している。また、ガス流出保護部２４００は、内壁２４１０に囲まれた電磁波通過室２４０１を収容している。電磁波通過室２４０１は、貫通孔２１０１ａ、２１０１ｂを介して反応室１００と連通している。
　電磁波通過室２４０１は、光路２４０１ａと、光路２４０１ｂと、を有している。光路２４０１ａは、発光部５１０から発せられる電磁波を通過させるためのものである。光路２４０１ａは、貫通孔２１０１ａとつながっている。光路２４０１ｂは、基板Ｓ１等で反射された電磁波を受光部５２０に向かって通過させるためのものである。光路２４０１ｂは、貫通孔２１０１ｂとつながっている。
　不活性ガス導入口２４２０は、電磁波通過室２４０１に不活性ガスを導入するためのものである。不活性ガス導入口２４２０は、窓２４３１と窓２４３２との間に位置している。
　窓２４３１は、発光部５１０が照射する電磁波を透過させるためのものである。窓２４３２は、基板Ｓ１等に反射されて受光部５２０に向かう電磁波を透過させるためのものである。そのため、窓２４３１、２４３２の材質は、電磁波を透過する材質である。例えば、ＳｉＯ2 である。電磁波を透過する素材であれば、その他の材質であってもよい。そして、窓２４３１、２４３２は、電磁波通過室２４０１を密閉する役割も担っている。
　図４に示すように、発光部５１０は、基板Ｓ１の板面に垂直な方向に対して傾斜して配置されている。基板Ｓ１の板面方向と、基板Ｓ１の板面に対して発光部５１０が配置されている方向と、がなす角の角度θは、３０°以上７０°以下の程度である。受光部５２０は、基板Ｓ１の板面に垂直な方向に対して傾斜して配置されている。基板Ｓ１の板面方向と、基板Ｓ１の板面に対して受光部５２０が配置されている方向と、がなす角の角度θは、３０°以上７０°以下の程度である。
　このように、発光部５１０と基板Ｓ１との間には、窓２４３１と光路２４０１ａとが存在する。基板Ｓ１と受光部５２０との間には、光路２４０１ｂと窓２４３２とが存在する。
　発光部５１０は、電磁波を１以上の窓部材のうちの１つに通過させた後に１以上の貫通孔のうちの１つに通過させてサセプター２１０に向けて照射する。受光部５２０は、１以上の貫通孔のうちの１つに通過させた電磁波を受信する。
２．変形例
　本実施形態では、貫通孔２１０１ａ、２１０１ｂは、サセプター２１０を反応室天板１０１に射影した領域内に形成されている。しかし、貫通孔２１０１ａ、２１０１ｂの一方が、サセプター２１０を反応室天板１０１に射影した領域外に形成されていてもよい場合がある。
（第３の実施形態）
　第３の実施形態について説明する。第３の実施形態と第１の実施形態との間の相違点は、発光部および受光部である。したがって、異なっている点について説明する。
１．気相成長装置
　図５は、本実施形態の気相成長装置３０００の概略構成を示す図である。図５に示すように、気相成長装置３０００は、発光部５１０と、ハーフミラー３５２０と、受光部３５３０と、受光部３５４０と、を有する。
　ハーフミラー３５２０は、発光部５１０から発せられる電磁波を透過するとともに、基板Ｓ１から反射または散乱される光を反射するものである。ハーフミラー３５２０は、発光部５１０と貫通孔３１０１ａとの間の位置に配置されている。また、ハーフミラー３５２０は、発光部５１０と窓４３０との間の位置に配置されている。
　受光部３５３０は、基板Ｓ１または基板Ｓ１の上に成長させた半導体層からの反射波を受信する反射波受信部である。受光部３５４０は、基板Ｓ１または基板Ｓ１の上に成長させた半導体層からの散乱波を受信する散乱波受信部である。つまり、気相成長装置３０００は、反射波および散乱波の両方を受信する。
　ガス流出保護部３４００は、内壁３４１０と、不活性ガス導入口３４２０と、窓４３０と、電磁波通過室３４０１と、を有している。また、ガス流出保護部３４００は、内壁３４１０に囲まれた電磁波通過室３４０１を収容している。不活性ガス導入口３４２０は、電磁波通過室３４０１に不活性ガスを導入するためのものである。窓４３０は、発光部５１０が照射する電磁波を透過させるとともに、基板Ｓ１等に反射または散乱されてハーフミラー３５２０に向かう電磁波を透過させるためのものである。
　電磁波は、発光部５１０から発せられてハーフミラー３５２０を透過し、基板Ｓ１等に反射または散乱されてハーフミラー３５２０に入射する。これらの電磁波の一部は、ハーフミラー３５２０により反射されて受光部３５３０または受光部３５４０に受光される。前述のように、受光部３５３０が受光する光は反射波である。受光部３５４０が受光する光は散乱波である。つまり、反射波の通過位置に配置されているのが受光部３５３０であり、散乱波の通過位置に配置されているのが受光部３５４０である。
２．変形例
　ハーフミラー３５２０は、受光部３５３０または受光部３５４０と貫通孔３１０１ａとの間の位置に配置されていてもよい。
１０００…気相成長装置
Ｓ１…基板
１００…反応室
１０１…反応室天板
１０１ａ…貫通孔
１０２…反応室底板
１０３、１０４…反応室側板
２１０…サセプター
２２０…ヒーター
２３０…回転軸
２４０…モーター
３１０…原料ガス導入口
３２０…ガス排出口
４００…ガス流出保護部
４０１…電磁波通過室
４１０…内壁
４２０…不活性ガス導入口
４３０…窓
５１０…発光部
５２０…受光部
７００…制御部

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Claims (8)

  1. 基板を支持する基板支持部と、
    前記基板支持部を収容する反応室と、
    前記反応室に原料ガスを供給する原料ガス導入口と、
    前記反応室からガスを排出するガス排出口と、
    前記基板支持部に向けて電磁波を照射する電磁波照射部と、
    電磁波を受信する電磁波受信部と、
    を有し、
    　前記原料ガス導入口と前記ガス排出口とを結ぶ線と、前記基板の板面と、がなす角の角度が－２０°以上２０°以下であり、
    　前記反応室は、
    　　前記基板支持部と対面する天板を有し、
    　前記天板は、
    　　１以上の貫通孔を有し、
    　前記電磁波照射部は、
    　　電磁波を前記１以上の貫通孔のうちの１つに通過させて前記基板支持部に向けて照射し、
    　前記電磁波受信部は、
    　　前記１以上の貫通孔のうちの１つに通過させた電磁波を受信すること
    を特徴とする気相成長装置。
  2. 請求項１に記載の気相成長装置において、
    　前記反応室の外部にガス流出保護部を有し、
    　前記ガス流出保護部は、
    　　１以上の窓部材と、
    　　前記１以上の貫通孔を介して前記反応室と連通する電磁波通過室と、
    　　前記電磁波通過室に不活性ガスを導入する不活性ガス導入口と、
    を有し、
    　前記電磁波照射部は、
    　　電磁波を前記１以上の窓部材のうちの１つに通過させた後に前記１以上の貫通孔のうちの１つに通過させること
    を特徴とする気相成長装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の気相成長装置において、
    　前記電磁波照射部は、
    　　可視光とＸ線との少なくとも一方を照射し、
    　前記電磁波受信部は、
    　　可視光とＸ線との少なくとも一方を受信すること
    を特徴とする気相成長装置。
  4. 請求項３に記載の気相成長装置において、
    　可視光を照射する可視光照射部と、
    　可視光を受信する可視光受信部と、
    　Ｘ線を照射するＸ線照射部と、
    　Ｘ線を受信するＸ線受信部と、
    を有すること
    を特徴とする気相成長装置。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の気相成長装置において、
    　前記基板または前記基板の上に成長させた半導体層からの反射波を受信する反射波受信部と、
    　前記基板または前記半導体層からの散乱波を受信する散乱波受信部と、
    を有すること
    を特徴とする気相成長装置。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の気相成長装置において、
    　前記基板支持部は、
    　　前記基板の中心のまわりに回転可能であり、
    　前記貫通孔が長穴であり、
    　前記電磁波照射部は、
    　　前記基板の中心から前記基板の端部まで電磁波を照射すること
    を特徴とする気相成長装置。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の気相成長装置において、
    　前記基板支持部の材質は、
    　　５００ｎｍの波長の光に対する反射率が４０％以上の材料であること
    を特徴とする気相成長装置。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の気相成長装置において、
    　前記電磁波照射部または前記電磁波受信部と前記１以上の貫通孔のうちの１つとの間の位置にハーフミラーが配置されていること
    を特徴とする気相成長装置。

    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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