WO2026009641A1 - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

気相成長装置および気相成長方法

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vapor
raw material
metalorganic
heater
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圭太郎 池尻
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Nippon Sanso Holdings Corp
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Nippon Sanso Holdings Corp
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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
    • C23C16/46—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 characterised by the method used for heating the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method.
  • a common method for supplying raw materials containing metal elements to the substrate is to supply the raw materials to the reactor accompanied by a carrier gas (see, for example, Patent Document 1).
  • metalorganic sources such as trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) have been investigated as sources containing metal elements.
  • a carrier gas such as nitrogen or hydrogen gas is supplied to a container filled with the liquid metalorganic source, and the vapor of the metalorganic source is supplied to the reactor together with the carrier gas.
  • the container filled with the source must be placed in a thermostatic chamber or similar, and kept at a specified temperature while it is supplied. Furthermore, it is necessary to maintain a constant temperature not only in the source container filled with the metalorganic source, but also in the supply path from the source container to the reactor.
  • the present invention was proposed in light of these conventional circumstances, and aims to provide a vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method that can stably supply an appropriate amount of organic metal precursor onto a substrate.
  • a cold-wall type vapor phase growth apparatus for forming a compound semiconductor thin film on a substrate, comprising: a reactor having a reaction tube that supplies vapor of an organic metal precursor, which is supplied from a container filled with the organic metal precursor, to a substrate in a state where the vapor of the organic metal precursor is entrained in a carrier gas; and a heater that can heat, from the outside of the reaction tube, an upstream portion of the reactor where the vapor of the organic metal precursor is supplied.
  • a reactor having a reaction tube that supplies vapor of an organic metal precursor, which is supplied from a container filled with the organic metal precursor, to a substrate in a state where the vapor of the organic metal precursor is entrained in a carrier gas; and a heater that can heat, from the outside of the reaction tube, an upstream portion of the reactor where the vapor of the organic metal precursor is supplied.
  • a cold-wall vapor phase growth method for forming a compound semiconductor thin film on a substrate comprising: a source supply step of supplying a metalorganic raw material onto the substrate through a reaction tube in a state where the metalorganic raw material vapor is entrained in a carrier gas, the source supply step being supplied from a container filled with the metalorganic raw material; and a heating step of heating an upstream portion of a reactor equipped with the reaction tube with a heater from outside the reaction tube, the heating step being performed at least during the source supply step.
  • the present invention provides a vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method that can stably supply an appropriate amount of organic metal precursor onto a substrate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a vapor phase growth apparatus equipped with a heater.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a vapor phase growth apparatus with a heater removed.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a vapor phase growth apparatus including a supply device for metal organic raw materials.
  • Figures 1 and 2 are cross-sectional views showing an example of a vapor phase growth apparatus according to this embodiment, with Figure 1 showing the apparatus with a heater attached and Figure 2 showing the apparatus with the heater removed.
  • Figure 3 is a structural diagram showing an example of a vapor phase growth apparatus including a supply device for metalorganic raw materials.
  • the vapor phase growth apparatus 10 of this embodiment is a cold-wall type vapor phase growth apparatus that forms a compound semiconductor thin film on a substrate.
  • This vapor phase growth apparatus 10 includes a reactor 11 equipped with a reaction tube 12 that supplies organic metal precursors to a substrate 14, and a heater 16 that can heat the upstream portion 11a of the reactor 11 from outside the reaction tube 12.
  • the vapor phase growth apparatus 10 of this embodiment can be used to form compound semiconductor thin films using organic metals as raw materials.
  • film formation methods include metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • the reaction tube 12 supplies the metal-organic precursor vapor entrained in a carrier gas to the substrate 14.
  • the metal-organic precursor vapor is supplied from a container filled with the metal-organic precursor (see source container 23 in FIG. 3 ).
  • the material of the reaction tube 12 is not particularly limited, but examples include ceramics, glass, metal, etc., and specific examples include quartz (SiO 2 ), stainless steel (SUS), etc.
  • the reactor 11 comprises, along the flow direction, an upstream section 11a on the gas inlet section 13 side, a midstream section 11b where the substrate 14 is placed, and a downstream section 11c on the gas exhaust section 15 side.
  • the upstream section 11a refers to the range from the gas inlet section 13 to the midstream section 11b where the substrate 14 is placed.
  • the flow direction is the direction in which gas flows from the gas inlet section 13 side to the gas exhaust section 15 side. In the illustrated example, the flow direction of the reactor 11 is horizontal, but the flow direction may be set in another direction.
  • the reaction tube 12 constitutes a flow channel in the reactor 11.
  • the reactor 11 may be equipped with an exhaust mechanism for reducing the pressure inside the reaction tube 12 to a predetermined level.
  • a cooling mechanism for the reaction tube 12 using water cooling or the like may be provided, or the cooling mechanism may be omitted at least in the area where the heater 16 is used.
  • the carrier gas is a gas used to transport raw material gases, reactive gases, doping gases, etc., which are components of compound semiconductors. There are no particular limitations on the carrier gas as long as it does not react with the raw material gases, etc. Examples of the carrier gas include hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), argon (Ar), and helium (He).
  • the interior of the reaction tube 12 is partitioned into multiple channels 13a and 13b via a partition 13c. More specifically, the interior of the reaction tube 12 is partitioned into three layers of channels 13a and 13b by two partitions 13c, constituting, from top to bottom, a top channel, a middle channel, and a bottom channel.
  • the number of layers partitioned into multiple channels 13a and 13b is not limited to three, and may be more than three.
  • the partition 13c is positioned only at a location away from the substrate 14, but the range dividing the channels 13a and 13b can be set as appropriate.
  • the partition 13c may be positioned close to or immediately before the substrate 14.
  • the gases supplied from channels 13a and 13b can be mixed with each other.
  • the metalorganic raw material may be supplied from a channel sandwiched between other channels, such as a middle channel.
  • the metalorganic raw material and the reaction gas may be supplied from different channels. If a doping gas is required, it may be supplied in a state mixed with either the metalorganic raw material or the reaction gas.
  • the substrate 14 is held so that the substrate surface 14a is exposed inside the reaction tube 12.
  • the vapor phase growth apparatus 10 may be equipped with a substrate holding mechanism such as a susceptor (not shown) to hold the substrate 14.
  • a substrate holding mechanism such as a susceptor (not shown) to hold the substrate 14.
  • the substrate 14 is held so that the substrate surface 14a faces upward.
  • a compound semiconductor thin film is formed on the substrate surface 14a.
  • the substrate 14 may be a semiconductor substrate, an insulating substrate, or any other suitable substrate.
  • the material of the substrate 14 is not particularly limited, but examples include a silicon substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a sapphire substrate, a gallium arsenide substrate, a gallium nitride substrate, and a gallium oxide substrate.
  • a compound semiconductor thin film may be epitaxially grown on the substrate 14.
  • the substrate may be thinly sliced like a wafer.
  • the planar shape of the substrate 14 when viewed perpendicular to the substrate surface 14a is generally circular, but may be other shapes.
  • the substrate 14 may have a cutout such as an orientation flat or a notch at one or more locations on its circumference.
  • the substrate 14 may be rotated about a rotation axis perpendicular to the substrate surface 14a.
  • the method for rotating the substrate 14 is not particularly limited, but for example, the substrate 14 held by the susceptor may be rotated by rotating the susceptor.
  • the rotation direction of the substrate 14 is preferably such that the central axis is a perpendicular line passing through or near the center of the substrate surface 14a, and may be clockwise or counterclockwise.
  • a substrate heating device (not shown), such as a heater, is used to heat the substrate 14.
  • the substrate heating device heats the substrate 14 to a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the raw material.
  • the heating direction may be controlled or heat may be shielded between the upstream section 11a of the reactor 11 and the substrate heating device to prevent the heat from being transmitted from the substrate heating device to the reaction tube 12 in the upstream section 11a.
  • the upstream portion 11a of the reactor 11 is not heated from the outside, and the temperature of the upstream portion 11a is lower than the temperature of the gas inlet portion 13. If the metalorganic raw material aggregates before reaching the substrate 14, the metalorganic raw material cannot be supplied stably to the substrate 14.
  • the upstream portion 11a can be heated to a predetermined temperature.
  • the type of heater 16 is not particularly limited, but an electric heater is preferred, and examples include resistance heating, infrared radiation, and electromagnetic induction.
  • the heater 16 heats the upstream portion 11a (heating process) at least when the vapor of the metalorganic raw material is supplied (raw material supply process).
  • the heating process may be performed only during the raw material supply process, or may be started before the raw material supply process begins, or may be ended after the raw material supply process ends.
  • the heater 16 may constantly heat the upstream portion 11a, with periods during which raw material is supplied and periods during which raw material is not supplied.
  • the heater 16 can be divided into an upper part 16a and a lower part 16b to fit the shape of the existing reactor 11 and installed so that the reactor 11 is sandwiched between them. This allows the heater 16 to be attached and detached from the reactor 11 as needed.
  • the vapor phase growth apparatus 20 shown in Figure 2 is both a vapor phase growth apparatus 20 without a heater 16 and a vapor phase growth apparatus 20 with the detachable heater 16 removed from the reactor 11.
  • the shape of the heater 16 can be designed appropriately to match the shape of the upstream section 11a of the reactor 11.
  • the heater 16 can be attached and detached to the reactor 11, it is possible to add a heater 16 to an existing reactor 11. This makes it easy to repurpose existing equipment for new material production applications. Furthermore, the heater 16 can be attached and detached depending on the film formation conditions, such as the type of organometallic raw material.
  • the detachable heater 16 is not limited to being divided into two parts, top and bottom, as shown in the example, but can be divided into two parts in any other appropriate direction, or into three or more parts. It is also possible to configure the heater 16 to be deformable, such as by wrapping the heater 16 spirally around the outer periphery of the reaction tube 12.
  • the heater 16 be attachable and detachable without having to be moved in the gas flow direction in the reactor 11. This makes it possible to attach and detach the heater 16 without affecting the connections of the piping, even when piping or the like is connected upstream of the gas inlet 13 and downstream of the gas exhaust 15 of the reactor 11.
  • the temperature of the reactor 11 heated by the heater 16 can be set appropriately depending on the situation, such as when the vapor pressure of the metalorganic raw material is low or when a large amount of metalorganic raw material needs to be supplied.
  • a thermocouple or the like near the heater 16, it is also possible to monitor the temperature of the heater 16 while the metalorganic raw material is being supplied. Using this type of temperature monitoring function makes it easy to set the heating temperature appropriately.
  • the metalorganic raw material vapor is supplied to the substrate 14, and the upstream section 11a of the reactor 11 is heated by the heater 16, thereby ensuring a stable supply of the metalorganic raw material.
  • the metalorganic raw material is supplied stably to the substrate 14, productivity of compound semiconductor thin films can be improved.
  • the lower limit of the temperature of the reaction furnace 11 heated by the heater 16 is preferably set to at least the temperature of the metalorganic source section at which sufficient vapor pressure can be ensured even for metalorganic sources with low vapor pressure.
  • the lower limit of the temperature is preferably 130°C or higher.
  • the upper limit of the temperature of the reactor 11 heated by the heater 16 can be set appropriately depending on the thermal decomposition temperature of the metalorganic raw material, and is preferably lower than the thermal decomposition temperature, for example. Since the thermal decomposition temperatures of metalorganic raw materials such as TMG, TMA, and TMI, which are generally used in the MOCVD growth of nitride semiconductors, are approximately 400°C to 450°C, it is desirable that the upper limit of the temperature be 400°C or lower. If the metalorganic raw material has a different thermal decomposition temperature, the upper limit of the temperature can also be changed to match the thermal decomposition temperature, and the upper limit of the temperature may be set in a range higher than the example given above.
  • Ammonia (NH 3 ), a nitrogen source for nitride semiconductors, does not thermally decompose above the thermal decomposition temperature of the metalorganic precursor, so there is no need to consider the upper limit of the temperature. However, if there is a possibility that the thermal decomposition temperature may change due to the addition of other components mixed with the metalorganic precursor, the upper limit of the temperature can be set lower as necessary.
  • the method for supplying the metalorganic raw material to the substrate in a state in which the vapor of the metalorganic raw material is supplied from a container filled with the metalorganic raw material and is accompanied by a carrier gas it may also be a method in which a carrier gas is supplied to the container of the metalorganic raw material.
  • carrier gas may be supplied from carrier gas container 21 to source container 23 via carrier gas supply line 22.
  • the vapor of the metalorganic source material is supplied to reactor 11 via source supply line 24, entrained in the carrier gas.
  • the carrier gas may be bubbled through the metalorganic source material filled in source container 23.
  • reaction gas is supplied to the reaction furnace 11 from the reaction gas container 25 via the reaction gas supply line 26, separately from the raw material supply line 24.
  • a path may be provided through which the carrier gas is supplied to the raw material supply line 24 or the reaction gas supply line 26 without passing through the raw material container 23.
  • the carrier gas supply line 22, raw material supply line 24, and reaction gas supply line 26 may be provided with control devices such as valves and mass flow controllers.
  • the source container 23 filled with the metalorganic source may be equipped with a heating mechanism to promote vaporization of the metalorganic source. It is also possible to employ a method in which the metalorganic source in the source container 23 is vaporized by direct heating, and then the vapor of the metalorganic source is mixed with a carrier gas.
  • the metal elements contained in the organometallic raw material are not particularly limited, but include Group 2 elements such as magnesium (Mg); Group 13 elements such as aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In); Group 14 elements such as silicon (Si) and germanium (Ge); transition metal elements such as scandium (Sc), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), yttrium (Y), niobium (Nb), molybdenum (Mo), hafnium (Hf), and tungsten (W); and rare earth elements such as lanthanum (La), europium (Eu), and gadolinium (Gd).
  • Group 2 elements such as magnesium (Mg); Group 13 elements such as aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In); Group 14 elements such as silicon (Si) and germanium (Ge); transition metal elements such as scandium (Sc), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni
  • the organometallic raw material is not particularly limited, but examples thereof include TMG, TMA, TMI, etc. for Group 13 elements, organosilanes, organosilazanes, etc. for Group 14 elements, and (MCp) 3Sc , Cp3Sc , Cp3Y , EuCppm2 , etc. for rare earth elements.
  • MCp represents a methylcyclopentadienyl group
  • Cp represents a cyclopentadienyl group
  • Cppm represents a normal propyltetramethylcyclopentadienyl group.
  • the organic groups contained in the organometallic raw materials include, but are not limited to, alkyl groups such as methyl, ethyl, and propyl; and cyclopentadienyl groups which may have substituents such as Cp, MCp, and Cppm.
  • the substituents contained in the organic groups include, but are not limited to, alkyl groups such as methyl, ethyl, and propyl.
  • the organometallic raw material may have hydrogen atoms, halogen atoms, amino groups, imino groups, etc. as substituents or ligands other than the organic group.
  • the organic group may be a hydrocarbon group consisting only of carbon (C) and hydrogen (H), and may contain elements other than C and H. Examples of elements other than C and H include oxygen (O), nitrogen (N), and halogens.
  • An example of an organometallic material with a relatively low vapor pressure is (MCp) 3Sc , which has a vapor pressure of 10 mTorr at 100°C.
  • Cp3Sc and Cp3Y have a vapor pressure of 6.5 mTorr at 100°C and 65 mTorr at 130°C.
  • EuCppm2 has a vapor pressure of 0.27 mTorr at 100°C and 0.0062 Torr at 130°C.
  • An example of an organometallic material with a relatively high vapor pressure is TMA, which has a vapor pressure of approximately 12 Torr at 20°C.
  • 1 Torr (101325/760) Pa ⁇ 133.32 Pa.
  • the compound semiconductor thin film formed by the vapor phase growth apparatus 10 of this embodiment may be a thin film made of one type of compound semiconductor, or a thin film made of two or more types of compound semiconductors. Furthermore, the thin film may be a thin film made of a mixture of two or more types of compound semiconductors, or a laminated film made of two or more types of compound semiconductor thin films.
  • the compound semiconductor constituting the compound semiconductor thin film is not particularly limited, but examples thereof include nitrides, oxides, oxynitrides, phosphides, and arsenides of the metal elements.
  • the compound semiconductor may be doped to be P-type or N-type. Examples of reactive gases that react with the metal elements include NH3 , O2 , PH3 , and AsH3 .

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Abstract

基板上に適正量の有機金属原料を安定に供給することが可能な気相成長装置および気相成長方法を提供する。基板（１４）上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長装置（１０）において、有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、有機金属原料を基板（１４）に供給する反応管１２を備える反応炉（１１）と、有機金属原料の蒸気が供給されている反応炉（１１）の上流部（１１ａ）を、反応管（１２）の外側から加熱することができるヒーター（１６）と、を備える。

Description

気相成長装置および気相成長方法
　本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関する。
　基板上に化合物半導体薄膜を形成する気相成長装置において、金属元素を含む原料を基板に供給する方法として、原料がキャリアガスと同伴された状態で反応炉に供給する方法が一般的に行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５－１５０４９７号公報
　近年、金属元素を含む原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの有機金属原料が検討されている。この場合、有機金属原料が液体で充填された容器に、窒素や水素ガスなどのキャリアガスを供給し、有機金属原料の蒸気がキャリアガスと同伴された状態で反応炉に供給される。有機金属原料の蒸気圧はその温度に依存するため、有機金属原料を一定に供給するには、有機金属原料が充填された容器を恒温槽などに設置し、所定の温度に保ちながら供給する必要がある。また、有機金属原料が充填された原料容器だけではなく、原料容器から反応炉に至るまでの供給経路の温度も一定に保つ必要がある。
　しかしながら、有機金属原料の蒸気圧が低い場合あるいは有機金属原料を多量に供給する必要がある場合には、有機金属原料の温度を比較的高い状態に維持することで、有機金属原料の供給量を確保する必要がある。この場合、原料容器から反応炉に至るまでの供給経路の温度も原料容器の温度に応じて高温に保たないと、供給経路の配管内で温度が低下し、有機金属原料が凝縮して基板まで到達する供給量が低下する場合がある。また、配管内に凝集した有機金属原料が次回の成膜時に放出されて不純物レベルで供給量が増加する、いわゆるメモリ効果が生じる場合がある。このように供給経路の配管内で有機金属原料が凝縮すると、基板上に適正量の有機金属原料を供給できないという課題があった。
　本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、基板上に適正量の有機金属原料を安定に供給することが可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　［１］　基板上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長装置において、有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、有機金属原料を基板に供給する反応管を備える反応炉と、前記有機金属原料の蒸気が供給されている前記反応炉の上流部を、前記反応管の外側から加熱することができるヒーターと、を備えることを特徴とする気相成長装置。
　［２］　前記ヒーターは、前記反応炉に対して着脱可能であることを特徴とする［１］に記載の気相成長装置。
　［３］　基板上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長方法において、有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、反応管を通じて有機金属原料を基板に供給する原料供給工程と、前記反応管を備える反応炉の上流部を、前記反応管の外側からヒーターで加熱する加熱工程と、を備え、少なくとも前記原料供給工程において前記加熱工程を行うことを特徴とする気相成長方法。
　本発明によれば、基板上に適正量の有機金属原料を安定に供給することが可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。
ヒーターを備えた気相成長装置の一例を示す断面図である。 ヒーターを取り外した状態の気相成長装置の一例を示す断面図である。 有機金属原料の供給装置を含む気相成長装置の一例を示す構成図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合がある。各構成要素の数や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、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも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１～２は、本実施形態の気相成長装置の一例を示す断面図であり、図１はヒーターを取り付けた状態、図２はヒーターを取り外した状態である。図３は、有機金属原料の供給装置を含む気相成長装置の一例を示す構成図である。
　図１に示すように、本実施形態の気相成長装置１０は、基板上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長装置である。この気相成長装置１０は、有機金属原料を基板１４に供給する反応管１２を備える反応炉１１と、反応炉１１の上流部１１ａを、反応管１２の外側から加熱することができるヒーター１６と、を備える。
　本実施形態の気相成長装置１０は、有機金属を原料として用いる化合物半導体薄膜の形成に利用することができる。成膜方法としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が挙げられる。
　反応管１２は、有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、有機金属原料を基板１４に供給する。有機金属原料の蒸気は、有機金属原料が充填された容器（図３の原料容器２３を参照）から供給される。反応管１２の材質としては、特に限定されないが、セラミックス、ガラス、金属等が挙げられ、具体例としては、石英（ＳｉＯ２）、ステンレス（ＳＵＳ）などが挙げられる。
　反応炉１１は、流れ方向に沿って、ガス導入部１３側の上流部１１ａ、基板１４が配置される中流部１１ｂ、ガス排気部１５側の下流部１１ｃを備える。つまり、上流部１１ａとは、ガス導入部１３から基板１４が配置される中流部１１ｂまでの範囲を意味する。ここで、流れ方向とは、ガス導入部１３側からガス排気部１５側にガスが流れる方向である。図示例の反応炉１１は、流れ方向が横方向であるが、他の方向に流れ方向が設定されてもよい。
　反応管１２は、反応炉１１において、フローチャネルを構成する。特に図示しないが、反応炉１１は、反応管１２の内部を所定の圧力に減圧するための排気機構などを備えることができる。コールドウォール型の反応炉１１においては、水冷等による反応管１２の冷却機構を備えてもよく、少なくともヒーター１６を用いる箇所において冷却機構を省略してもよい。
　キャリアガスは、化合物半導体の成分となる原料ガス、反応ガス、ドーピングガス等を搬送するために用いるガスである。原料ガス等と反応しないガスであれば、特に限定されないが、キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等が挙げられる。
　図示例の反応炉１１の上流部１１ａでは、仕切り１３ｃを介して、反応管１２の内部が複数のチャネル１３ａ，１３ｂに区画されている。より具体的には、反応管１２の内部が２枚の仕切り１３ｃにより３層のチャネル１３ａ，１３ｂに区画され、上から順にトップチャネル、ミドルチャネル、ボトムチャネルを構成している。複数のチャネル１３ａ，１３ｂに区画される数は３層に限らず、３層以上としてもよい。図示例では仕切り１３ｃが基板１４から離れた箇所にのみ配置された場合を示したが、チャネル１３ａ，１３ｂを区画する範囲は適宜に設定可能である。例えば、特に図示しないが、仕切り１３ｃが基板１４の近くや直前まで配置されていてもよい。
　仕切り１３ｃで区画された範囲の終点では、各チャネル１３ａ，１３ｂから供給されるガスが相互に混合可能になる。有機金属原料の供給に使用されるチャネルは特に限定されないが、例えば、ミドルチャネルなど他のチャネルの間に挟まれる位置のチャネルから有機金属原料を供給してもよい。有機金属原料と反応ガスを異なるチャネルから供給してもよい。ドーピングガスが必要な場合は、有機金属原料または反応ガスのいずれかと混合した状態で供給してもよい。
　基板１４は、基板表面１４ａが反応管１２内に露出されるように保持されている。気相成長装置１０は、基板１４を保持するため、サセプタ（図示せず）等の基板保持機構を備えてもよい。図示例の基板１４は、基板表面１４ａが上向きとなるように保持されている。特に図示しないが、基板表面１４ａが下向きとなるように基板１４を保持することも可能である。基板表面１４ａには、化合物半導体薄膜が形成される。
　基板１４としては、半導体基板、絶縁体基板等の各種基板が挙げられる。基板１４の材質としては、特に限定されないが、シリコン基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板、ヒ化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、酸化ガリウム基板などが挙げられる。基板１４上に化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させてもよい。
　基板はウエハのように薄くスライスされていてもよい。基板表面１４ａに垂直な方向から見た基板１４の平面形状は、一般的には円形であるが、他の形状でもよい。基板１４が、オリエンテーションフラット（オリフラ）、ノッチ等の切欠部を円周上の１箇所または２箇所以上に有してもよい。
　化合物半導体薄膜を形成する間、基板１４が基板表面１４ａに垂直な方向の回転軸に対して、回転されてもよい。基板１４を回転する方法は特に限定されないが、例えば、サセプタを回転させることにより、サセプタに保持された基板１４を回転させてもよい。基板１４の回転方向は、基板表面１４ａの中心またはその付近を通る垂線を中心軸とすることが好ましく、時計回りでも反時計回りでもよい。
　コールドウォール型の反応炉１１では、基板１４を加熱するために、ヒーターなどの基板加熱装置（図示せず）が用いられる。基板加熱装置では、原料の熱分解温度以上の温度で基板１４が加熱される。しかし、コールドウォール型の反応炉１１では、基板加熱装置の熱が上流部１１ａの反応管１２に伝達しないように、加熱方向を制御したり、反応炉１１の上流部１１ａと基板加熱装置とで熱を遮蔽したりする場合がある。
　つまり、従来のコールドウォール型の反応炉１１では、反応炉１１のガス導入部１３から基板１４の上流端までの領域（すなわち上流部１１ａ）に加熱機構がないため、有機金属原料が基板１４上に到達する前に、有機金属原料の凝集が起きやすいという課題があった。
　このため、ヒーター１６で反応炉１１が加熱されない場合は、反応炉１１の上流部１１ａが外部から加熱されないので、ガス導入部１３の温度より上流部１１ａの温度がより低い温度となる。有機金属原料が基板１４上に到達する前に有機金属原料が凝集すると、有機金属原料を安定に基板１４に供給することはできない。
　反応炉１１の上流部１１ａにおいて、反応管１２の外側にヒーター１６を設けることで、上流部１１ａを所定の温度まで加熱することができる。ヒーター１６の種類は、特に限定されないが、電気ヒーターが好ましく、抵抗加熱方式、赤外線放射方式、電磁誘導方式等が挙げられる。気相成長装置１０の使用時（気相成長方法の実施時）において、ヒーター１６による上流部１１ａの加熱（加熱工程）は、少なくとも有機金属原料の蒸気を供給するタイミング（原料供給工程）で行えばよい。原料供給工程のタイミングのみ加熱工程を行うのでもよく、原料供給工程の開始前から加熱工程を開始してもよく、原料供給工程の終了後に加熱工程を終了してもよい。ヒーター１６で上流部１１ａを常時加熱していて、その中で原料が供給されるタイミングと原料が供給されないタイミングが含まれてもよい。
　ヒーター１６は、既存の反応炉１１の形状に合わせて、上部１６ａと下部１６ｂを分割して反応炉１１を挟み込むように設置可能である。このため、必要に応じて反応炉１１に対してヒーター１６の取り付け、取り外しができる構造となっている。
　図２に示す気相成長装置２０は、ヒーター１６を備えていない気相成長装置２０でもあり、また、着脱可能なヒーター１６を反応炉１１から取り外した状態の気相成長装置２０でもある。ヒーター１６の形状は、反応炉１１の上流部１１ａの形状に合わせて、適宜に設計可能である。
　ヒーター１６が反応炉１１に対して着脱可能であることにより、既存の反応炉１１に対しても、ヒーター１６の増設が可能になる。これにより、現有設備を新規材料生産用途に転用することが容易になる。また、有機金属原料の種類など成膜条件に応じて、ヒーター１６の着脱を選択してもよい。
　着脱可能なヒーター１６は、図示例のように上下２分割する構成に限らず、他の適宜の方向に２分割したり、３以上に分割したりすることが可能である。また、反応管１２の外周上でヒーター１６を螺旋状に巻き付ける等、ヒーター１６を変形可能に構成することも可能である。
　ヒーター１６は、反応炉１１におけるガスの流れ方向に移動させなくても着脱可能であることが好ましい。これにより、反応炉１１のガス導入部１３の前段およびガス排気部１５の後段に配管等が接続されている場合においても、配管等の接続に影響せずにヒーター１６の着脱が可能になる。
　ヒーター１６で反応炉１１が加熱されたとき、ヒーター１６で加熱された反応炉１１の温度は、有機金属原料の蒸気圧が低い場合あるいは有機金属原料を多量に供給する必要がある場合などの状況に応じて、適宜に設定することが可能である。ヒーター１６近傍に熱電対等を設置することにより、有機金属原料の供給中にヒーター１６の温度をモニタリングすることも可能である。このような温度モニタ機能を用いると、加熱温度を適宜に設定することが容易になる。
　反応炉１１において、有機金属原料の蒸気を基板１４に供給するとともに、ヒーター１６で反応炉１１の上流部１１ａを加熱することにより、有機金属原料を安定して供給することができる。反応炉１１の上流部１１ａにおいて、有機金属原料が蒸気である状態を維持することにより、上流部１１ａにおける有機金属原料の凝縮を抑制することができる。有機金属原料が基板１４まで安定に供給されるので、化合物半導体薄膜の生産性を向上することができる。
　ヒーター１６で加熱された反応炉１１の温度の下限は、少なくとも蒸気圧が低い有機金属原料でも十分な蒸気圧が確保できる有機金属原料部の温度以上にすることが望ましい。例えば、スカンジウム（Ｓｃ）の原料として使用されつつあるトリス（シクロペンタジエニル）スカンジウム（Ｃｐ３Ｓｃ）を有機金属原料として用いる場合、前記温度の下限は１３０℃以上であることが望ましい。
　ヒーター１６で加熱された反応炉１１の温度の上限は、有機金属原料の熱分解温度等に応じて、適宜に設定することが可能であり、例えば前記熱分解温度より低いことが好ましい。一般的に窒化物半導体のＭＯＣＶＤ成長に用いられるＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩなどの有機金属原料の熱分解温度が、だいたい４００℃～４５０℃であることから、前記温度の上限は４００℃以下であることが望ましい。有機金属原料の熱分解温度が異なる場合は、前記温度の上限も熱分解温度に合わせて変更可能であり、前記例示より高い範囲で前記温度の上限を設定してもよい。
　窒化物半導体の窒素原料であるアンモニア（ＮＨ３）は、前記有機金属原料の熱分解温度より高温まで熱分解しないため、上限温度を考慮する必要はない。ただし、有機金属原料と混合した状態で他の成分が供給されることにより、熱分解温度が変化する可能性がある場合は、必要に応じて、前記温度の上限をより低く設定することができる。
　有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、有機金属原料を基板に供給する方法としては、特に限定されないが、有機金属原料の容器にキャリアガスを供給する方法であってもよい。
　例えば図３に示すように、キャリアガス容器２１からキャリアガス供給ライン２２を介して原料容器２３にキャリアガスを供給してもよい。有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で原料供給ライン２４を介して、反応炉１１に供給される。原料容器２３に充填された有機金属原料に対してキャリアガスをバブリングしてもよい。
　また、反応ガスは、原料供給ライン２４とは別に、反応ガス容器２５から反応ガス供給ライン２６を介して反応炉１１に供給される。特に図示しないが、キャリアガスが原料容器２３を経由しないで原料供給ライン２４または反応ガス供給ライン２６に供給される経路を備えてもよい。キャリアガス供給ライン２２、原料供給ライン２４および反応ガス供給ライン２６には、バルブ、マスフローコントローラ等の制御機器を設けてもよい。
　有機金属原料が充填された原料容器２３は、有機金属原料の気化を促進するための加熱機構を備えてもよい。原料容器２３内の有機金属原料を直接加熱により気化させた後に、有機金属原料の蒸気をキャリアガスと混合する方式を採用することも可能である。
　前記有機金属原料に含まれる金属元素としては、特に限定されないが、マグネシウム（Ｍｇ）等の２族元素；アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素；シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の１４族元素；スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、イットリウム（Ｙ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）等の遷移金属元素；ランタン（Ｌａ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）等の希土類元素が挙げられる。
　前記有機金属原料としては、特に限定されないが、１３族元素に対してＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩなど；１４族元素に対して有機シラン、有機シラザンなど；希土類元素に対して（ＭＣｐ）３Ｓｃ，Ｃｐ３Ｓｃ，Ｃｐ３Ｙ，ＥｕＣｐｐｍ２等が挙げられる。ここで、ＭＣｐはメチルシクロペンタジエニル基を表し、Ｃｐはシクロペンタジエニル基を表し、Ｃｐｐｍはノルマルプロピルテトラメチルシクロペンタジエニル基を表す。
　前記有機金属原料に含まれる有機基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、プロピル基などのアルキル基；Ｃｐ，ＭＣｐ，Ｃｐｐｍ等の置換基を有してもよいシクロペンタジエニル基等が挙げられる。有機基に含まれる置換基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、プロピル基などのアルキル基などが挙げられる。
　前記有機金属原料は、有機基以外の置換基または配位子として、水素原子、ハロゲン原子、アミノ基、イミノ基等を有してもよい。有機基は、炭素（Ｃ）及び水素（Ｈ）のみからなる炭化水素基であってもよく、Ｃ及びＨ以外の元素を含有してもよい。Ｃ及びＨ以外の元素としては、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、ハロゲン等の元素が挙げられる。
　蒸気圧が比較的低い有機金属原料として、例えば（ＭＣｐ）３Ｓｃは１００℃で１０ｍＴｏｒｒである。また、Ｃｐ３ＳｃおよびＣｐ３Ｙは１００℃で６．５ｍＴｏｒｒ、１３０℃で６５ｍＴｏｒｒである。ＥｕＣｐｐｍ２は１００℃で０．２７ｍＴｏｒｒ、１３０℃で０．００６２Ｔｏｒｒである。蒸気圧が比較的高い有機金属原料として、例えばＴＭＡは２０℃で約１２Ｔｏｒｒである。ここで、１Ｔｏｒｒ＝（１０１３２５／７６０）Ｐａ≒１３３．３２Ｐａである。
　本実施形態の気相成長装置１０で形成される化合物半導体薄膜は、１種の化合物半導体からなる薄膜でもよく、２種以上の化合物半導体からなる薄膜でもよい。さらに、前記薄膜は、２種以上の化合物半導体の混合物からなる薄膜でもよく、２種以上の化合物半導体薄膜の積層膜であってもよい。
　化合物半導体薄膜を構成する化合物半導体としては、特に限定されないが、前記金属元素の窒化物、酸化物、酸窒化物、リン化物、ヒ化物等が挙げられる。前記化合物半導体は、Ｐ型またはＮ型にドーピングされてもよい。前記金属元素と反応させる反応ガスとして、ＮＨ３，Ｏ２，ＰＨ３，ＡｓＨ３等が挙げられる。
　本実施形態の気相成長装置１０で化合物半導体薄膜を形成する際、金属元素原料として有機金属原料のみを用いてもよい。有機金属原料以外の金属元素原料をドーピングガス等として併用することも可能であり、具体例としては、モノシラン、ジシラン等の無機シラン等が挙げられる。
１０，２０…気相成長装置、１１…反応炉、１１ａ…上流部、１１ｂ…中流部、１１ｃ…下流部、１２…反応管、１３…ガス導入部、１３ａ，１３ｂ…チャネル、１３ｃ…仕切り、１４…基板、１４ａ…基板表面、１５…ガス排気部、１６…ヒーター、１６ａ…上部、１６ｂ…下部、２１…キャリアガス容器、２２…キャリアガス供給ライン、２３…原料容器、２４…原料供給ライン、２５…反応ガス容器、２６…反応ガス供給ライン。

Claims (3)

  1. 　基板上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長装置において、
    　有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、有機金属原料を基板に供給する反応管を備える反応炉と、
    　前記有機金属原料の蒸気が供給されている前記反応炉の上流部を、前記反応管の外側から加熱することができるヒーターと、
    　を備えることを特徴とする気相成長装置。
  2. 　前記ヒーターは、前記反応炉に対して着脱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. 　基板上に化合物半導体薄膜を形成するコールドウォール型の気相成長方法において、
    　有機金属原料が充填された容器から供給される有機金属原料の蒸気がキャリアガスに同伴された状態で、反応管を通じて有機金属原料を基板に供給する原料供給工程と、
    　前記反応管を備える反応炉の上流部を、前記反応管の外側からヒーターで加熱する加熱工程と、
    　を備え、少なくとも前記原料供給工程において前記加熱工程を行うことを特徴とする気相成長方法。
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