(57)【要約】【課題】隔離室内の窒素ガスに含まれる酸素と金属製の酸素除去部材とが反応して生成される金属酸化物の還元時間を短縮する。【解決手段】気相成長装置１０は、窒素ガスが充填されたグローブボックス１２と、このグローブボックス１２内に配置された、エピタキシャル成長法により基板１３上に化合物層を形成するための反応容器１４を備えている。グローブボックス１２は、排出路１６及び導入路１８を介して酸素除去室２０２及び水分除去室２０１を有する容器２０に接続されている。容器２０には、還元性ガス及び窒素ガスが第１及び第２ガス供給路２６及び２８並びに混合ガス供給路３０を通じて供給される。容器２０内に還元性ガスが供給されると、酸素除去部材と酸素とが反応することにより生じた金属酸化物が還元性ガスによって還元される。還元性ガスの供給は、容器２０から排出されるガス中の水蒸気量が設定値以下になると停止される。【選択図】図１
2010182987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)内部に収容された基板上に気相成長法により化合物層を形成するための反応容器と、
b)内部に前記反応容器が配置される、窒素ガスが充填された隔離室と、
c)前記隔離室内の窒素ガスに含まれる微量な酸素と反応させて金属酸化物を得ることにより前記窒素ガスから酸素を除去する金属製の酸素除去部材を収容する酸素除去室と、
d)前記隔離室内の窒素ガスを前記酸素除去室に導入させた後、前記隔離室に戻す窒素ガス循環手段と、
e)前記酸素除去室に還元性ガスを導入することにより前記金属酸化物を還元する還元手段と、
f)前記酸素除去室内の水蒸気量を測定する水蒸気量測定手段と、
g)前記水蒸気量測定手段による測定値が設定値に達すると前記還元性ガスの酸素除去室への導入を停止する停止手段と
を備えた気相成長装置。
【請求項２】
窒素ガスが充填された隔離室内に、気相成長法により基板上に化合物層を形成するための反応容器を収容してなる気相成長装置において、前記隔離室内の窒素ガス中に含まれる酸素を除去する方法であって、
a)前記隔離室内の窒素ガスを、金属製の酸素除去部材が収容された前記酸素除去室に導入し、前記窒素ガスに含まれる微量な酸素と金属製の酸素除去部材とを反応させて金属酸化物を得ることにより前記窒素ガスから酸素を除去する工程と、
b)前記酸素除去室に還元性ガスを導入することにより前記金属酸化物を還元する工程と、
c)前記酸素除去室内の水蒸気量を測定する工程と、
d)前記酸素除去室内の水蒸気量が設定値に達すると前記還元性ガスの酸素除去室への導入を停止する工程と
を備えた気相成長装置における窒素ガス中の酸素除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に化合物層をエピタキシャル成長させて化合物半導体を製造するために用いられる気相成長装置及び気相成長装置における隔離室内の窒素ガス中の酸素除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザーや発光ダイオード（LED）などに使われる化合物半導体は、反応容器内にサファイア等の基材を載置し、該基材上に化合物層をエピタキシャル成長させることにより製造される。エピタキシャル成長の際に酸素が存在すると化合物半導体の特性が悪くなることから、反応容器内の酸素濃度は極めて低く調整しておく必要がある。このため、気相成長装置では、窒素ガスを充填したグローブボックス内に反応容器を収容することにより該反応容器を大気から隔離したり、基材の交換のために反応容器を開閉する際に大気中の酸素が反応容器内に侵入しないよう、窒素ガスが充填されたグローブボックス内を与圧したりしている(特許文献１、２参照)。
【０００３】
また、気相成長装置の中には、グローブボックス内に充填された窒素ガスに含まれる酸素を除去するための構造を有しているものもある。この構造は、ニッケル触媒を収容した容器とグローブボックスとの間を窒素ガスが循環する構成となっている。ニッケル触媒を収容する容器を窒素ガスが通過する際、当該窒素ガスに微量に含まれる酸素によってニッケル触媒が酸化され、これにより窒素ガスから酸素が除去される。
【０００４】
酸化されたニッケル触媒は水素ガス等の還元性気体を用いて還元され再使用される。ニッケル触媒の還元終点の判断は、ニッケル触媒を収容した容器に取り付けた確認窓の付着水蒸気量を目視することにより行われる。ところが、確認窓の水蒸気量を目視する方法では、水蒸気量の微妙な変化を読み取ることが難しく、還元終点を正確に判断することができない。一方、一定時間の経過により還元終点を判断する方法もあるが、この方法では、常にニッケル触媒を還元することができるように、「一定時間」を実際の還元時間よりも十分に長い時間に設定しておく必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2001-332501号公報
【特許文献２】特開2007- 88295号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、隔離室内の窒素ガスに含まれる酸素と金属製の酸素除去部材とが反応して生成される金属酸化物の還元時間の短縮化を図った気相成長装置及び気相成長装置における隔離室内の窒素ガスの酸素除去方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係る気相成長装置は、
a)内部に収容された基板上に気相成長法により化合物層を形成するための反応容器と、
b)内部に前記反応容器が配置される、窒素ガスが充填された隔離室と、
c)前記隔離室内の窒素ガスに含まれる微量な酸素と反応させて金属酸化物を得ることにより前記窒素ガスから酸素を除去する金属製の酸素除去部材を収容する酸素除去室と、
d)前記隔離室内の窒素ガスを前記酸素除去室に導入させた後、前記隔離室に戻す窒素ガス循環手段と、
e)前記酸素除去室に還元性ガスを導入することにより前記金属酸化物を還元する還元手段と、
f)前記酸素除去室内の水蒸気量を測定する水蒸気量測定手段と、
g)前記水蒸気量測定手段による測定値が設定値に達すると前記還元性ガスの酸素除去室への導入を停止する停止手段と
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、窒素ガスが充填された隔離室内に、気相成長法により基板上に化合物層を形成するための反応容器を収容してなる気相成長装置において、前記隔離室内の窒素ガス中に含まれる酸素を除去する方法であって、
a)前記隔離室内の窒素ガスを、金属製の酸素除去部材が収容された前記酸素除去室に導入し、前記窒素ガスに含まれる微量な酸素と金属製の酸素除去部材とを反応させて金属酸化物を得ることにより前記窒素ガスから酸素を除去する工程と、
b)前記酸素除去室に還元性ガスを導入することにより前記金属酸化物を還元する工程と、
c)前記酸素除去室内の水蒸気量を測定する工程と、
d)前記酸素除去室内の水蒸気量が設定値に達すると前記還元性ガスの酸素除去室への導入を停止する工程と
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、気相成長装置の隔離室内の窒素ガスを酸素除去室に導入し、前記窒素ガスに含まれる微量な酸素と金属製の酸素除去部材とを反応させて金属酸化物を得ることにより前記窒素ガスから酸素を除去した後、前記酸素除去室に還元性ガスを導入することにより前記金属酸化物を還元するときに、前記酸素除去室内の水蒸気量が設定値に達したことに基づいて前記還元性ガスの酸素除去室への導入を停止するようにしたので、金属酸化物の還元反応を不必要に続けなくても済み、還元時間の短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態を示す気相成長装置の全体構成を示す概略図。
【図２】電気的構成を示すブロック図。
【図３】容器から排出されるガスの湿度の時間的変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は気相成長装置１０の全体構成を示す概略図である。気相成長装置１０は、グローブボックス１２(本発明の隔離室に相当）と、このグローブボックス１２内に配置された、エピタキシャル成長法（有機金属気相成長法）により基板１３上に化合物層を形成するための反応容器１４を備えている。
前記グローブボックス１２内には、反応容器１４の開閉時に空気中の酸素や水（水蒸気）が反応容器１４内に侵入してエピタキシャル成長に悪影響を与えないように、窒素ガスが充填されている。グローブボックス１２内は与圧されており、基板１３の交換のために反応容器１４を開閉しても大気中の酸素が反応容器１４内に侵入しないようになっている。
【００１２】
また、グローブボックス１２には、排出路１６及び導入路１８を介して容器２０が接続されている。容器２０内は水分除去室２０１と酸素除去室２０２に区画されている。水分除去室２０１にはモレキュラーシーブなどの乾燥剤が収容され、酸素除去室２０２にはニッケルや銅などの金属製の酸素除去部材が収容されている。前記排出路１６は水分除去室２０１に、導入路１８は酸素除去室２０２に接続されている。以上の構成により、グローブボックス１２から排出された窒素ガスは容器２０に導入され、水分除去室２０１、酸素除去室２０２を順に通過した後、導入路１８を通ってグローブボックス１２に戻される。
【００１３】
窒素ガスが水分除去室２０１を通過する際、窒素ガスに含まれる水分（水蒸気）は乾燥剤に吸着し、除去される。
窒素ガスが酸素除去室２０２を通過する際、窒素ガスに微量に含まれる酸素は酸素除去部材と反応(酸化反応)し、金属酸化物を形成する。この結果、前記窒素ガス中の酸素が除去される。酸素との反応性を考慮すると、前記酸素除去部材は、ニッケルや銅などの表面が酸化されていない金属から成ることが望ましい。ただし、取扱いの便宜上、酸素除去部材の表面は多少酸化されていても良い。また、酸素除去部材は多数の粒状或いはワイヤー状の物質から構成されていることが好ましい。このように構成することにより酸素除去部材の表面積が大きくなり、酸素と酸素除去部材との反応が起こり易くなる。
【００１４】
上述した酸素除去部材の作用から、容器２０は、金属や酸素ガス、および、後述する還元性ガス等と反応しない材料から構成する必要がある。また、容器２０には、酸素除去部材の酸化及び還元の反応速度を調節したり、乾燥剤に吸着した水分を蒸発させるためにヒータ２０３，２０４及び温度センサ２０５，２０６が設けられている。酸化還元反応中の酸素除去室２０２内の温度は反応効率及び安全性の点から100〜200℃になるように調整される。
【００１５】
また、容器２０には、水素ガスなどの還元性ガス及び窒素ガスが第１及び第２ガス供給路２６及び２８並びに混合ガス供給路３０を通じて供給されるようになっている。容器２０内に還元性ガスが供給されると、酸素除去部材と酸素とが反応することにより生じた金属酸化物が還元性ガスによって還元され、再生される。金属酸化物と還元性ガスとが酸化還元反応を起こすと、その反応熱によって容器２０内の温度が上昇する。そこで、本実施の形態では、還元性ガスに窒素ガスを混合した状態で容器２０内に送り込まれる。具体的には、容器２０の温度が２００℃を越えないように、還元性ガスと窒素ガスの混合比を調整しながら容器２０内に送り込まれる。
【００１６】
第１及び第２ガス供給路２６，２８には第１及び第２バルブ２２，２４(図２にのみ示す)が設けられ、このバルブ２２，２４の開度を調節することにより所定流量の水素ガス及び窒素ガスが容器２０内に供給される。
【００１７】
金属酸化物と還元性ガスとが酸化還元反応を起こすと金属酸化物は金属となり、同時に水（水蒸気等）が生じる。金属酸化物の還元が進行するにつれて金属酸化物中の酸素量が少なくなるため、徐々に発生する水(水蒸気)量は減少する。従って、容器２０から排出されるガス中の水蒸気量から、金属酸化物の還元反応の進行度を判定することができる。
【００１８】
そこで、容器２０からの混合ガス排出路３２には水蒸気量測定手段としての湿度センサ３４が設けられている。湿度センサ３４は、ガス排出路３２のうち容器２０のガス排出口付近に設けることが好ましい。なお、前記湿度センサ３４が測定する湿度は、ある温度のときに大気中に含まれる水蒸気の圧力（水蒸気分圧）をその温度の飽和水蒸気圧で割ったもの（相対湿度）、ある温度のときに大気中に含まれる水蒸気の量を、その温度の飽和水蒸気量で割ったもの（重量絶対湿度）のいずれでも良い。
【００１９】
図２は、本実施の形態の電気的構成を示すブロック図である。
制御装置４０には、温度センサ２０５，２０６、湿度センサ３４，酸素センサ４２の検知信号が入力されるようになっている。制御装置４０は温度センサ２０５，２０６の検知信号に基づきヒータ２０３，２０４への通電を制御する。酸素センサ４２は、グローブボックス１２内の酸素量を検出するためのもので、制御装置４０は酸素センサ４２の検知信号に基づきバルブ２２，２４を開けて容器２０への還元性ガス(混合ガス)の導入を開始し、金属酸化物の還元を開始する。また、制御装置４０は、湿度センサ３４の測定値が所定値以下のとき、金属酸化物の還元が完了したと判断してバルブ２２，２４を閉止し、容器２０への還元性ガス(混合ガス)の導入を停止する。例えば、容器２０から排出されるガス中の湿度が１〜２％ＲＨの値以下のときに還元性ガスの導入を停止する。
従って、金属酸化物の還元反応が完了した後も継続して還元性ガスが導入されることがなく、還元反応時間を短縮することができる。
【００２０】
なお、上記した気相成長装置では、グローブボックス１２に対して１個の容器２０を設けたが、グローブボックス１２に対して２個の容器を並列に設けても良い。この場合、一方の容器で金属酸化物を還元している間に他方の容器で金属を酸化して金属酸化物を得ることが可能となる。これにより、反応容器１４内でエピタキシャル成長により基板上に成膜している間も窒素ガス中の酸素を除去できる。
また、図１では混合ガス供給路３０は水分除去室２０１に接続されているが、水分除去室２０１をバイパスして直接酸素除去室２０２に接続しても良い。容器２０は酸素除去室２０２を有していればよく、水分除去室２０１は無くても良い。
水蒸気量測定手段としては湿度センサの他、露点計でも良い。
【実施例】
【００２１】
以下、具体的な実施例を用いて更に詳細に本発明を説明する。
本実施例では気相成長装置としてサムコ株式会社製のGaN膜形成用の有機金属気相成長装置（MCV-2018）を用いた。この装置では、GaNをエピタキシャル成長させる反応容器１４がグローブボックス１２内に収容されている。反応容器１４の内部には、直径２インチのサファイア基材を１８枚載置可能なＳｉＣコートのグラファイトカーボン製トレイが収容されている。
【００２２】
容器２０は、直径１０ｃｍ×高さ３０ｃｍの円柱状容器からなり、その酸素除去室２０２にはニッケル触媒（日揮化学株式会社製、品番：Ｎ１１２）が収容され、水分除去室２０１にはモレキュラーシーブ（ナカライテスク株式会社製、品番：５Ａ  １／８）が収容されている。
容器２０のガス排出口付近のガス排出路３２には湿度センサ３４（株式会社チノー社製、品番：ＮＨ−ＣＨ）が設けられている。この湿度センサ３４の検知信号は制御装置（コンピュータ）４０に入力され、容器２０内の湿度が経時的に測定される。
【００２３】
トレイにサファイア基板を載置してエピタキシャル成長によるGaN膜の形成処理の実行が開始されると、グローブボックス１２内の空気が窒素ガスで置換（流量３０L/分）される。このとき、グローブボックス１２内の窒素ガスは排出路１６を通って容器２０内に導入され、導入路１８からグローブボックス１２内に戻る。この結果、窒素ガスに含まれる微量な酸素は容器２０内のニッケル触媒と反応し、ニッケル触媒は酸化ニッケルになると共に、グローブボックス内の酸素ガス濃度は徐々に減少した。
【００２４】
そして、酸素ガス濃度が当初の1000ppmから減少して数十ppm以下となったとき、容器２０内に水素ガス（２Ｌ／分）を導入して酸化ニッケルの還元を行った。還元反応中は、容器２０の酸素除去室２０２内の温度が２００℃になるようにヒータ２０３を調節した。また、水分除去室２０１の温度も２００℃になるようにヒータ２０４を調整した。
【００２５】
このときの、湿度センサ３４の検知結果を図２に示す。図２に示すように、容器２０内の湿度は徐々に低下し、水素ガスの供給開始から約１８０分後に設定湿度（１〜２％ＲＨ）となった。制御装置４０であるコンピュータは湿度センサ３４の検知信号に基づき、容器２０内の湿度が設定値（１〜２％RH）以下になると、バルブ２２，２４を閉止して水素ガス及び窒素ガスの供給を停止する。
【符号の説明】
【００２６】
１０・・・気相成長装置
１２・・・グローブボックス(隔離室)
１３・・・基板
１４・・・反応容器
２０・・・容器
２０１・・・水分除去室
２０２・・・酸素除去室
２２，２４・・・バルブ
２６・・・第１ガス供給路
２８・・・第２ガス供給路
３０・・・混合ガス供給路
３４・・・湿度センサ
４０・・・制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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