(57)【要約】【課題】反応ガスの混合性の向上及び被処理基板上のガス濃度分布の均一化を実現する。【解決手段】本発明の気相成長装置は、反応炉１内の被処理基板３を載置する基板保持部材４に対向して配置され、被処理基板３に対し第一ガスを供給するシャワープレート２０Ａと、シャワープレート２０Ａにおける基板保持部材４と反対側に配置され、被処理基板４に対し第二ガスを供給するシャワープレート２０Ｂとを備え、シャワープレート２０Ａには、第一ガス流路Ｈ３が形成され、シャワープレート２０Ｂは、基板保持部材４側に突出し、第一ガス流路Ｈ３内部に挿入された第二ガス供給管２３ｂを有し、第一ガス流路Ｈ３のガス出口２２ｃは、第二ガス供給管２３ｂのガス出口２２ｃよりも基板保持部材４側に配され、第二ガス供給管２３ｂの外壁が、第一ガス流路Ｈ３の内壁に接触し、第二ガス供給管２３ｂ内の第二ガスは、第一ガス流路Ｈ３内の第一ガスに対し平行に流れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置され、上記被処理基板に対し第一ガスを供給する第一シャワープレートと、
上記第一シャワープレートにおける上記基板保持部材と反対側に配置され、上記被処理基板に対し第二ガスを供給する第二シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、
上記第一シャワープレートには、上記第一ガスが流れる複数の第一ガス流路が形成されており、
上記第二シャワープレートは、第二ガスが流れる第二ガス供給管を有し、該第二ガス供給管は、上記基板保持部材側に突出し、第一ガス流路内部に挿入されており、
上記第一ガス流路の第一ガス出口は、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配されており、かつ、上記第二ガス供給管の外壁が、上記第一ガス流路の内壁に接触しており、
上記第二ガス供給管を流れる第二ガスは、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
上記第二ガス供給管は、弾性体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。
【請求項３】
各第二ガス供給管は、上記第一ガス流路に対し傾斜しており、この傾斜が、第二ガス供給管が上記第一ガス流路の内壁に当接することにより補正されて、上記第一ガス流路と平行になるように保持されることを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
上記第二ガス供給管は、上記第一ガス流路に対し垂直方向に移動し、上記第一ガス流路の内壁に押し当てることにより、上記第一ガス流路と平行になるように保持されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
上記第一ガスは、ＩＩＩ族ガスを含み、
上記第二ガスは、Ｖ族ガスを含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
上記第一ガス流路の温度を調節する冷媒を充満する冷媒空間が形成されており、
上記第二ガス供給管は、上記冷媒により温度調節された第一ガス流路の内壁との接触により、温度調節されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されており、上記被処理基板に向かって第一ガスを流すための第一ガス流路が形成された第１シャワープレートによって、上記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、
上記第１シャワープレートにおける上記基板保持部材と反対側に配置されており、上記基板保持部材側に突出して上記第一ガス流路の内部に挿入された第二ガス供給管を有する第２シャワープレートによって、上記被処理基板に向かって第２ガスを供給する気相成長方法であって、
上記第一ガス流路の第一ガス出口を、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配置し、かつ、上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させて、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスを、第一ガス供給管を流れる第一ガスに対し平行に流すことを特徴とする気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置、及び気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードおよび半導体レーザの製造においては、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）などの有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）またはアルシン（ＡｓＨ３ ）などの水素化合物ガスと、を成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ法が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、所定の被処理基板上で気相反応させることにより、その被処理基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。
【０００４】
図１０に、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例の模式的な構成を示す。
【０００５】
このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源１０２から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３が接続されており、反応炉１０１における内部の成長室１１１の上部には、該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。
【０００６】
また、反応炉１０１の成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端には、シャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には、該サセプタ１０８を加熱するためのヒーター１０９が取り付けられている。
【０００７】
さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。
【０００８】
上記構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０８に基板１０７を設置し、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８を回転させ、ヒーター１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入する。
【０００９】
複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出口から基板１０７に反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。しかしながら、この方法では、基板１０７とシャワープレート１１０表面との間の空間で、自然的に複数の反応ガスが混合してしまう。これにより、例えば複数の反応ガスが基板１０７に到達する前に、反応が起こってしまい、基板１０７表面まで所望の反応ガスが到達しなくなる。更には、複数の反応ガスが充分に混合されないという問題が起こってしまう。これにより、それぞれの反応ガスの気相反応が安定して起こらず、結晶性に優れた良質な薄膜を安定して得ることができなかった。
【００１０】
これらの問題を解決するために、例えば特許文献１では、シャワープレートにおける多数のガス吐出口から流出した複数の混合ガスを、シャワープレート下部に設置されたバッファ室にて一旦混合し、混合された複数のガスを再度被処理基板の上部へ吹きつけ、所望の膜質を得るという方法がとられている。
【００１１】
ＭＯＣＶＤ法によって所望の薄膜を被処理基板上へ形成する場合、反応性を有する原料ガスによって被処理基板表面で生起される表面反応は、極めて複雑なメカニズムを有することが知られている。すなわち、被処理基板の温度、原料ガスの温度、流速、圧力、原料ガスに含まれる活性化学種の種類、反応系における残留ガス成分等、多数のパラメータが、前記表面反応に寄与するため、ＭＯＣＶＤ法でこれらのパラメータを制御して所望の薄膜を形成させることは極めて難しいと考えられる。特許文献１に開示された気相成長装置は、被処理基板から遠く離れた場所で反応ガスを混合するようになっている。それゆえ、複数の反応ガスが被処理基板に到達する前に反応し、被処理基板表面での反応制御が困難になり、成長膜の品質低下を招くという問題がある。
【００１２】
この問題を解決するために、例えば特許文献２に開示された気相成長装置では、シャワープレート内部に混合室が設けられている。この気相成長装置を用いることにより、被処理基板面とシャワープレートとの間に、別の混合室を設ける必要がなくなり、確実に複数のガス同士を混合させることができる。また、シャワープレート表面と被処理基板表面との距離を接近させることができるので、混合ガスが被処理基板の上部へ到達する距離等を制御することが可能となる。このため、特許文献２に開示された気相成長装置では、安定した結晶性の良好な膜質を得ることが可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−９１９８９号公報（平成８(1996)年４月９日公開）
【特許文献２】特開２０００−１４４４３２号公報（平成１２(2000)年５月２６日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
被処理基板上に均一な膜厚分布の薄膜を再現性よく成長させるには、基板上で均等な濃度分布で反応ガスを気相反応させることが必要である。また、原料ガス同士が基板到達前に混合、あるいは基板加熱用ヒーターの輻射熱等の影響による付加化合物が発生するのを防ぎ、被処理基板表面反応の制御性の向上が必要である。
【００１５】
特許文献１に開示された装置では、反応ガスを分離した状態でシャワープレートからガスを吐出しシャワープレート吐出口下部に設置された別のガス混合室へガスを供給している。そして、この別のガス混合室から被処理基板へ混合ガスを供給するような構造になっている。確かに、特許文献１に開示された装置では、均等に混合された混合ガスは、被処理基板に到達する。しかしながら、シャワープレート下部に、もう一つ混合室が設けられているため、混合室内部にガスが滞留してしまい、不要な生成物が生成される。このため、ガス吐出口が目づまりをおこすおそれがある。また、成長室内部にシャワープレートとは別の混合室が設けられているため、不要なメカのトラブルが高頻度に発生し、メンテナンス性が悪化し、さらには、コスト的な面で非常に不利な状況となってしまう。また、被処理基板と混合室との距離を制御することが、機構的に非常に困難になり、被処理基板表面での反応の制御性の向上が不可能である。
【００１６】
また近年の装置大型化、搭載枚数の増大に伴い、シャワープレートは大型化する。シャワープレートが大型化することにより、シャワープレートを構成する部材そのものの撓み、加工機械の大きさの制限、さらにはシャワープレートの組み立ての難しさなどが、非常に大きな問題になる。この問題を考慮すると、特許文献１に開示された構成は、非常に製作が難しいものとなる。
【００１７】
一方、特許文献２に記載の気相成長装置は、シャワープレート内部に混合室が設けられており、特許文献１のように、別部品で構成されたガス混合室は設けられていない。それゆえ、特許文献２に記載の気相成長装置は、特許文献１に開示された気相成長装置の問題は招来しない。
【００１８】
しかしながら、特許文献２のようにシャワープレート内部に混合室を設ける構造では、第一の原料ガス（第一ガス）の吐出口に第二の原料ガス（第二ガス）の吐出口が内包された状態になっている。特に第一原料ガスの流路（以下、第一ガス流路と記す）を構成するシャワープレートは、その内部に、第一ガス流路を冷却するための水路が設けられる。あるいは、第一ガス流路は、プレート壁面を利用することによりリブ効果がある。このため、第一ガス流路を構成するシャワープレートは、非常に強固なものとして形成することが可能であり、その構成部品そのものに歪が発生することはほとんどないと考えてよい。
【００１９】
一方、第二の原料ガスの流路（以下、第二ガス流路と記す）を構成するシャワープレートは、第二ガス流路がパイプとして設けられ、パイプとプレートとが溶接もしくはネジ止めなどの方法で固定された構造になっている。この構造では、構成部材自体の重みや加工歪などによって、撓みや歪が発生してしまう。
【００２０】
また、第一ガス流路を構成するシャワープレートは、第一ガス流路におけるガス流方向の上側及び下側がいずれも平面になっている。このため、シャワープレートの最終加工が終わった後、平面加工を行い、歪とりを行うことが可能である。これに対し、第二ガス流路を構成するシャワープレートは、第二ガス流路におけるガス流方向の上側及び下側の何れかがパイプ形状になっている。このため、シャワープレートの最終加工が終わった後、加工歪等を除去する加工を実施することができない。このような状態で、第一ガス流路を構成するシャワープレートと、第二ガス流路を構成するシャワープレートとの組み立てを行った場合、第一ガス流路に対して第二ガス流路が傾斜されて内包してしまい、さらには、第一ガス流路に対する第二ガス流路の角度が、外周部と内周部において一定とならない。
【００２１】
この影響で、第一ガス流路内部を流れる第一ガスと第二ガス流路を流れる第二ガスとについて、非処理基板面に対して垂直方向な流れを形成することができなくなってしまう。
【００２２】
また、それに伴って、第一ガス流路内を流れる第一ガスと第二ガス流路内を流れる第二ガスとが、シャワープレート吐出口面内の場所により混合の程度が異なってしまう。その結果、被処理基板全面に均等にかつ一定に混合された混合ガスを供給することができない。
【００２３】
また、このような状態で第一ガスと第二ガスとを均一に混合させようとすると、混合室の高さを非常に長くし、容積をおおきくする必要がある。この場合、第二ガス流路が非常に大きく、かつ重くなってしまい、装置が高価になってしまう。
【００２４】
以上のように、特許文献２に開示された気相成長装置において、非処理基板全面に、第一ガス及び第二ガスが一定にかつ均一に混合された混合ガスが供給されないという問題が発生する。その結果、同一面内の被処理基板において、膜厚分布や組成分布が発生してしまう。
【００２５】
また、特許文献２に開示された気相成長装置では、第一ガス流路と第二ガス流路とが同軸で配置された同軸構成になっている。この同軸構成は、小型サイズ（特にシャワー孔吐出口がΦ２００ｍｍ以下程度の小型サイズ）であれば、上記問題を招来することなく、製作、構成が可能である。しかしながら、近年の被処理基板サイズの大型化、基板搭載枚数の大容量化に伴い、ますますシャワープレートのガス孔吐出口の直径が大きくなっている。このような大型化に伴い、第一ガス流路及び第二ガス流路を同軸に配置することが困難になり、それぞれのガス流路が平行になる構造に保つことが非常に困難になってきている。
【００２６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、シャワープレートから成長室へ供給する反応ガスの混合性を向上させ、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、かつ、装置の大型化にも適応できる気相成長装置、及び気相成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の気相成長装置は、上記の課題を解決するために、反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置され、上記被処理基板に対し第一ガスを供給する第一シャワープレートと、上記第一シャワープレートにおける上記基板保持部材と反対側に配置され、上記被処理基板に対し第二ガスを供給する第二シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、上記第一シャワープレートには、上記第一ガスが流れる複数の第一ガス流路が形成されており、上記第二シャワープレートは、第二ガスが流れる第二ガス供給管を有し、該第二ガス供給管は、上記基板保持部材側に突出し、第一ガス流路内部に挿入されており、上記第一ガス流路の第一ガス出口は、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配されており、かつ、上記第二ガス供給管の外壁が、上記第一ガス流路の内壁に接触しており、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスは、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっていることを特徴としている。
【００２８】
本発明の気相成長装置は、上記第一シャワープレートに、上記第一ガスが流れる複数の第一ガス流路が形成されており、上記第二シャワープレートは、第二ガスが流れる第二ガス供給管を有し、該第二ガス供給管は、上記基板保持部材側に突出し、第一ガス流路内部に挿入されており、上記第一ガス流路の第一ガス出口は、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配されており、上記第二ガス供給管の第二ガス出口において、第一ガス流路の内壁で構成された混合室が設けられた構成になっている。
【００２９】
上記の構成によれば、上記第二ガス供給管の外壁が、上記第一ガス流路の内壁に接触しているので、第一ガス流路と第二ガス供給管との両方を、容易に被処理基板面に対し垂直に配置することが可能である。それゆえ、加工精度、加工機、及び材料厚みの低減の観点から、気相成長装置のコストを低減することができる。
【００３０】
さらに、第一ガス流路と第二ガス供給管との両方が、被処理基板面に対し垂直に配置され、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスは、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっているので、混合室にて混合される第一ガス及び第二ガスのガス流は全て、被処理基板面に対し垂直な方向の流速成分となる。このため、第一ガスと第二ガスとの混合性は、第一シャワープレートの面内において、全て均一になる。それゆえ、被処理基板面上の混合ガス濃度分布を均一化でき、被処理基板表面反応の制御性を向上させることができる。また、このように第一ガス流路と第二ガス供給管との両方が、被処理基板面に対し垂直に配置されるため、混合室の高さを、少なくとも第一ガス流路と同等にすることができるとともに、第一シャワープレートの面内において一定にすることができる。このため、上記の構成によれば、第一シャワープレート及び第二シャワープレートから構成されたユニットの軽量化を図ることができる。
【００３１】
また、上記の構成によれば、第二シャワープレートが加工歪み等により変形している場合であっても、従来の第一ガス流路と第二ガス供給管とが同軸になるように配置された構成と比較して、歪みによる第二シャワープレートの撓みを気にすることなく、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスが、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるように設計することが可能になり、装置の大型化にも適応できる。
【００３２】
以上のように、上記の構成によれば、シャワープレートから成長室へ供給する反応ガスの混合性を向上させ、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、かつ、装置の大型化にも適応できる気相成長装置を実現することができる。
【００３３】
本発明の気相成長装置では、上記第二ガス供給管は、弾性体であることが好ましい。
【００３４】
上記の構成によれば、上記第二ガス供給管が、弾性体であるので、第二ガス供給管そのものの弾性を利用して、容易に上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させることができる。
【００３５】
本発明の気相成長装置では、各第二ガス供給管は、上記第一ガス流路に対し傾斜しており、この傾斜が、第二ガス供給管が上記第一ガス流路の内壁に当接することにより補正されて、上記第一ガス流路と平行になるように保持されることが好ましい。
【００３６】
上記の構成によれば、各第二ガス供給管は、上記第一ガス流路に対し傾斜しており、この傾斜が、第二ガス供給管が上記第一ガス流路の内壁に当接することにより補正されて、上記第一ガス流路と平行になるように保持されるので、特別な装置を必要とせずに、上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させ、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスが、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようにすることができる。
【００３７】
本発明の気相成長装置では、上記第二ガス供給管は、上記第一ガス流路に対し垂直方向に移動し、上記第一ガス流路の内壁に押し当てることにより、上記第一ガス流路と平行になるように保持されることが好ましい。
【００３８】
これにより、上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させ、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスが、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようにすることができる。
【００３９】
本発明の気相成長装置では、上記第一ガスは、ＩＩＩ族ガスを含み、上記第二ガスは、Ｖ族ガスを含むことが好ましい。
【００４０】
上記の構成によれば、Ｖ族系ガスは有機ガスが用いられ、高温にしないと分子が分解して成長膜にドープされない、あるいは分子のままドープされてホールを形成してしまい、膜質や成長レートの劣化に繋がる。そのため、第二ガス供給管を通る第二ガスをＶ族系ガスとすることで、予め反応室以外で加熱し、活性化されたガスを反応室に供給することにより、基板温度をＩＩＩ族系ガスが熱分解しない程度の温度を保ったまま、気相反応を進行させことが可能となる。
【００４１】
本発明の気相成長装置では、上記第一ガス流路の温度を調節する冷媒を充満する冷媒空間が形成されており、上記第二ガス供給管は、上記冷媒により温度調節された第一ガス流路の内壁との接触により、温度調節されていることが好ましい。
【００４２】
第一ガス流路の温度を調節する冷媒を充満する冷媒空間が形成された気相成長装置においては、第一ガス流路と第二ガス供給管とが同軸に配されていると、第二ガス供給管そのものに冷却機能がないため、第二ガスの流路となる第二ガス供給管の第二ガス出口は、ヒーターからの輻射熱を直接受け、冷媒空間によって温度調整される第一ガス流路に比べ、温度上昇しやすくなる。そして、ヒーターからの輻射熱により、混合室内部に不要な付加化合物が析出してしまう。
【００４３】
上記の構成によれば、上記第二ガス供給管は、上記冷媒により温度調節された第一ガス流路の内壁との接触により、温度調節されているので、第二ガス供給管は、第一ガス流路の内壁を介して直接冷媒により冷却されることになる。それゆえ、効率的に第二ガス供給管の温度を調節することができ、ヒーターからの輻射熱の影響をなくすとともに、混合室内部の不要な付加化合物の析出を防止することがきる。これによって、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させるとともに、品質の高い優れた結晶成長を実現することができる。
【００４４】
本発明の気相成長方法は、上記の課題を解決するために、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されており、上記被処理基板に向かって第一ガスを流すための第一ガス流路が形成された第１シャワープレートによって、上記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、上記第１シャワープレートにおける上記基板保持部材と反対側に配置されており、上記基板保持部材側に突出して上記第一ガス流路の内部に挿入された第二ガス供給管を有する第２シャワープレートによって、上記被処理基板に向かって第２ガスを供給する気相成長方法であって、上記第一ガス流路の第一ガス出口を、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配置し、かつ、上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させて、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスを、第一ガス供給管を流れる第一ガスに対し平行に流すことを特徴としている。
【００４５】
上記の構成により、第一ガス流路と第二ガス供給管との両方を、被処理基板面に対し垂直に配置し、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスを、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流すので、混合室にて混合される第一ガス及び第二ガスのガス流を全て、被処理基板面に対し垂直な方向の流速成分にすることができる。それゆえ、上記の構成によれば、被処理基板面上の混合ガス濃度分布を均一化でき、被処理基板表面反応の制御性を向上させることができる。
【００４６】
上記の構成により、第二シャワープレートが加工歪み等により変形している場合であっても、従来の第一ガス流路と第二ガス供給管とが同軸になるように配置された構成と比較して、歪みによる第二シャワープレートの撓みを気にすることなく、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスが、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるように設計することが可能になり、装置の大型化にも適応した気相成長方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の気相成長装置は、以上のように、上記第一シャワープレートには、上記第一ガスが流れる複数の第一ガス流路が形成されており、上記第二シャワープレートは、第二ガスが流れる第二ガス供給管を有し、該第二ガス供給管は、上記基板保持部材側に突出し、第一ガス流路内部に挿入されており、上記第一ガス流路の第一ガス出口は、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配されており、かつ、上記第二ガス供給管の外壁が、上記第一ガス流路の内壁に接触しており、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスは、上記第一ガス流路を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっている構成である。
【００４８】
本発明の気相成長方法は、以上のように、上記第一ガス流路の第一ガス出口を、上記第二ガス供給管の第二ガス出口よりも上記基板保持部材側に配置し、かつ、上記第二ガス供給管の外壁を、上記第一ガス流路の内壁に接触させて、上記第二ガス供給管を流れる第二ガスを、第一ガス供給管を流れる第一ガスに対し平行に流す構成である。
【００４９】
それゆえ、シャワープレートから成長室へ供給する反応ガスの混合性を向上させ、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、かつ、装置の大型化にも適応できる気相成長装置及び気相成長方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ装置の一例である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】第二シャワープレートにおけるベース近傍の部分の詳細な構成の一例を示す断面図である。
【図３】ベースに第二ガス供給管を固定した際の、ベースの変形を、シミュレーションを用いて解析した結果を示す図である。
【図４】第一シャワープレートの具体的構成を示した断面図である。
【図５】第一ガス供給管と第二ガス供給管との位置関係を示す斜視図であり、（ａ）は、従来の第一ガス供給管と第二ガス供給管とが同軸に配置された構成を示し、（ｂ）は、第二ガス供給管が第一ガス供給管に対し傾斜した構成を示す。
【図６】第一シャワープレートと第二シャワープレートとを組み立てた後の状態を拡大して示す断面図である。
【図７】同軸構成でのシミュレーション結果を示し、（ａ）は、同軸型で高さＨを５ｍｍ程度に既定したＶ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの流速分布の図を示し、（ｂ）は同軸型で高さＨを５ｍｍに既定した、Ｖ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの濃度分布を示し、（ｃ）は（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、（ｄ）〜（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。
【図８】傾斜構成でのシミュレーション結果を示し、（ａ）は傾斜型での高さＨを５ｍｍ程度に既定したＶ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの流速分布の図を示し、（ｂ）は傾斜型で高さＨを５ｍｍに既定した、Ｖ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガス濃度分布を示し、（ｃ）は（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、（ｄ）〜（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。
【図９】本構成でのシミュレーション結果を示し、（ａ）は偏心型構造での流速分布を示し、図９（ｂ）は偏心型でのガス濃度分布を示し、（ｃ）は（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、（ｄ）〜（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。
【図１０】ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一構成例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明の一実施形態について図１ないし図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
【００５２】
図１は、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置（以下、単に本気相成長装置と記す）の構成を模式的に示す断面図である。
【００５３】
本気相成長装置は、図１に示されるように、内部を大気側と隔離して気密状態を保持する成長室としての反応室２を有する反応炉１と、反応室２内に設けられ被処理基板３を載置する基板保持部材４と、基板保持部材４と対向する位置に設けられ、被処理基板３に向けて複数の原料ガスを供給するガス供給部２０とを備えている。
【００５４】
基板保持部材４は、回転伝達部材５の一端に備え付けられており、回転伝達部材５は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。また、基板保持部材４の下側には、基板加熱ヒーター６が設けられている。
【００５５】
本気相成長装置にて被処理基板３の主表面に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）をガス供給部２０から反応室２へ導入する。このとき、基板加熱ヒーター６により、基板保持部材４を介して被処理基板３が加熱され、被処理基板３上での成膜化学反応が促進されることにより、被処理基板３上に薄膜が形成される。被処理基板３上を通過したガスは、ガス排出口１ａより排出される。
【００５６】
反応炉１の上側には、ガス供給部２０が設けられており、ガス供給部２０は略円筒形状になっている。
【００５７】
次に、本実施の形態の特徴的な構造であるガス供給部２０の詳細な構造について説明する。
【００５８】
ガス供給部２０は、第一ガスと、該第１ガスと異なる第二ガスとを反応室２へ供給するものであり、シャワープレート（第一シャワープレート）２０Ａ、及びシャワープレート（第二シャワープレート）２０Ｂから構成されている。シャワープレート２０Ａは、反応炉１内の被処理基板１５を載置する基板保持部材４に対向して配置されている。また、シャワープレート２０Ｂは、シャワープレート２０Ａにおける基板保持部材４と反対側に配置されている。
【００５９】
シャワープレート２０Ａは、基板保持部材４に対向する壁面２ｂを有しており、この壁面２ｂと反応炉１の内壁とにより反応室２が形成されている。また、反応炉１の側壁における基板保持部材４よりも低い位置には、ガス排出口２ａが形成されている。
【００６０】
また、シャワープレート２０Ａは、被処理基板３に向かって第一ガスを供給するための第一ガス供給管２２ｃを有しており、この第一ガス供給管２２ｃに第一ガス流路Ｈ３が形成されている。そして、この第一ガス流路Ｈ３に第一ガスを供給するために、シャワープレート２０Ａとシャワープレート２０Ｂとの間に、第一ガスを充満させる第一ガス分配空間２２が形成されている。シャワープレート２０Ｂは、第一ガス分配空間２２が開放するように、シャワープレート２０Ａから取り外し可能に設けられている。また、シャープレート２０Ａの周縁には、第一ガス分配空間２２に第一ガスを供給するための複数個の第一ガス導入口２２ａが設けられている。
【００６１】
シャワープレート２０Ｂは、被処理基板３に向かって第二ガスを流すための複数個の第二ガス供給管２３ｂを備えている。この第二ガス供給管２３ｂは、シャワープレート２０Ｂから（基板保持部材４側へ）突出するように設けられおり、各第一ガス流路Ｈ３内部に挿入されている。また、第二ガス供給管２３ｂには、第二ガス流路Ｈ５が形成されている。
【００６２】
また、シャワープレート２０Ｂは、ベース２４と上方プレート２５とを備えている。そして、ベース２４と上方プレート２５との間に、第二ガスを充満させる第二ガス分配空間２３が形成されている。上方プレート２５は、第二ガス分配空間２３が開放するように、ベース２４から取り外し可能に設けられている。また、上方プレート２５には、第二ガス分配空間２３に第二ガスを供給するための第二ガス導入口２３ａが設けられている。
【００６３】
シャワープレート２０Ａには、第一ガスと第二ガスとが混合される混合室８が設けられている。この混合室８は、第二ガス供給管２３ｂの先端において、第一ガス流路Ｈ３の内壁により形成されている。
【００６４】
また、シャワープレート２０Ａ内には、第一ガス供給管２２ｂ及び第二ガス供給管２３ｂの温度を調節する冷媒が充満した冷媒空間２１が形成されている。この冷媒空間２１は、第一ガス供給管２２ｂが露出するように形成されている。シャワープレート２０Ａには、冷媒空間２１へ冷媒を供給するための冷媒導入口２１ａと冷媒を外部へ排出ための冷媒排出口２１ｂが形成されている。そして、冷媒空間２１内の冷媒が、第一ガス供給管２２ｂの長手方向に対し垂直に流れるようになっている。
【００６５】
ガス供給部２０には、被処理基板７側から、冷媒空間２１、第一ガス分配空間２２、及び第二ガス分配空間２３がこの順に形成されている。
【００６６】
ガス供給部２０は、図１に示すように、Ｏリング７ａによって、反応炉１と気密状態を保持するよう封止されており、ガス供給部２０と反応炉１とは取り外し可能に構成されている。また、ベース２４は、Ｏリング７ｂにより、シャワープレート２０Ａと気密状態を保持するよう封止されている。さらに、上方プレート２５は、第二ガス分配空間２３の気密状態を保持するようＯリング７ｃにより封止されている。
【００６７】
このようにガス供給部２０は、第一ガス、及び第二ガスを分離して充満するための、第一ガス分配空間２２と第二ガス分配空間２３とを有した構成である。そして、第一ガス分配空間２２及び第二ガス分配空間２３に充満された各ガスを独立に吐出するシャワープレート形状のユニットとしてシャワープレート２０Ａ・２０Ｂを備えている。また、シャワープレート２０Ａ・２０Ｂはそれぞれ、複数のガス流路（第一ガス流路Ｈ３、第二ガス流路Ｈ５）を備えている。また、第二ガス流路Ｈ５が形成された第二ガス供給管２３ｂはそれぞれ、個々の第一ガス流路Ｈ３内に内包されて配設されている。
【００６８】
また、第一ガス流路Ｈ３の第一ガス流路出口２２ｃは、反応炉側壁面２ｂと面一になるように形成されている。また、第二ガス流路Ｈ５の第二ガス出口２３ｃは、第一ガス出口２２ｃよりもガス供給源側（つまり、被処理基板７より遠い側）に構成され、配置されている。言い換えると、第一ガス流路出口２２ｃが第二ガス流路出口２３ｃよりも基板保持部材４側に配された構成になっている。これにより、個々の第一ガス流路Ｈ３において、第一ガスと第二ガスとを混合する混合室８が構成される。また、シャープレート２０Ａには、第一ガス流路Ｈ３を温度調整するための冷媒空間２１が形成される。本気相成長装置においては、第二ガス流路Ｈ５が形成された第二ガス供給管２３ｂは、その外壁が第一ガス流路Ｈ３の内壁に接触した状態で配置されている。そして、第二ガス供給管２３ｂを流れる第二ガスが、第一ガス流路Ｈ３を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっている。
【００６９】
次に、図２は、シャワープレート２０Ｂにおけるベース２４近傍の部分の詳細な構成の一例を示す断面図である。なお、以下では、被処理基板３のサイズを６インチサイズとし、２０枚同時に結晶成長が可能になるように設計された構成について説明する。しかしながら、本気相成長装置は、このような設計に限定されるものではない。
【００７０】
上記設計を行うため、ベース２４における第二ガス供給管２３ｂの設置範囲Ｄを、図２における上側から見て円環状にΦ８００の範囲とした。また、第二ガス供給管２２ｂの配置ピッチＰを１０ｍｍとした。なお、第二ガス供給管２３ｂの設置範囲ＸをΦ８００の範囲としたとした理由は、このように設計することで、被処理基板３のサイズが６インチサイズであり、かつ２０枚搭載されたとき、被処理基板３の搭載範囲全面に第二ガス供給管２３ｂが存在するためである。
【００７１】
第二ガスが流れる、パイプ形状の第二ガス供給管２３ｂは、ベース２４に固定されている。各第二ガス供給管２３ｂは、ベース２４に、１０ｍｍピッチでΦ８００ｍｍの範囲に固定されている。そして、第二ガス供給管２３ｂの長さを設計上７０ｍｍとしている。また、ベース２４については、外部への原料ガスのリークを防ぐために、例えば図１に示すＯリング７ｂやメタルシール等を用いたシール部材が設けられている。上記設計に基づき、Ｏリング７ｂは、Φ８００ｍｍ以遠の箇所に円環上に存在する。
【００７２】
上記設計では、ベース２４の直径は、１１００ｍｍとなっており、厚さＤは１５ｍｍとした。また第二ガス供給管２３ｂとベース２４とはそれぞれ、原料ガスのリークが無いように、かつベース２４に対して第二ガス供給管２３ｂが垂直に取り付けられるように設計されている。固定方法については、例えば、ＴＩＧ溶接、ろう付け、ネジ止めによる固定等がある。上記設計においては、原料ガスの関係から、ＴＩＧ溶接とした。
【００７３】
また、上記設計では、第二ガス供給管２３ｂ及びベース２４の材料は、ステンレス製としている。これは、ＴＩＧ溶接は同種間の溶接がしやすいこと、及び、腐食に強く安価であるという観点からである。
【００７４】
図３は、ベース２４に第二ガス供給管２３ｂを固定した際の、ベース２４の変形を、シミュレーションを用いて解析した結果を示す図である。なお、図３に示すシミュレーションでは、計算機のメモリーの関係、メッシュ作成の関係、及び計算時間の関係から、第二ガス供給管２３ｂの配置は、図３に示すとおり、Φ８００の範囲でクロス状に配置したモデルとした。また、ベース２４の変形に際しては、荷重は全ての第二ガス供給管２３ｂが取り付けられた状態を想定しているため、変形量に影響はない。また、Ｏリング７ｂに関しては、原料ガスを封止するＯリング７ｂの箇所Φ１０３０ｍｍの範囲を幅１５ｍｍで固定している。
【００７５】
上記のようなシミュレーションを用いて解析した結果を図３に示す。
【００７６】
同図に示すように、ベース２４においては、Ｏリング７ｂから中心に向かって徐々に変形が大きくなり、変形量が中心部２６で最大０，４２ｍｍとなっている。また、ベース２４に固定されている第二ガス供給管２３ｂは、ベース２４の中心部２６における法線に対し傾斜しており、最大の傾斜角度は、８度である。
【００７７】
また、ベース２４が、Ｏリング７ｂから中心に向かって徐々に変形が大きくなることに伴い、ベース２４表面は、中心部２６からＯリング７ｂ（周縁）に向かう周方向において傾斜している。そして、この傾斜角度は、周方向における各直径で異なるため、第二ガス供給管２３ｂの傾斜角度はそれぞれ、周方向の位置で異なってしまう。すなわち、ベース２４に固定された複数の第二ガス供給管２３ｂはそれぞれ、ベース２４の変形により、同一方向に延びていない構成になる。これを回避し、複数の第二ガス供給管２３ｂが同一方向に延びるようにするためには、ベース２４の厚さＤを厚くすればよい。しかしながら、現状のベース２４の変形を回避するためには、ベース２４の厚さＤを５０ｍｍ以上にする必要があり、ベース２４が非常に高価になってしまう。また、ベース２４の厚さＤを厚くすると、ベース２４は、重量が非常に大きくなってしまい、加工上の取り扱いが非常に困難となってしまう。
【００７８】
図４は、シャワープレート２０Ａの具体的構成を示した断面図である。図５は、第一ガス供給管２２ｂと第二ガス供給管２３ｂとの位置関係を示す斜視図であり、図５（ａ）は、従来の第一ガス供給管２２ｂと第二ガス供給管２３ｂとが同軸に配置された構成を示し、（ｂ）は、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂに対し傾斜した構成を示す。
【００７９】
図３に示すシミュレーション結果の状態で、ベース２４に固定された第二ガス供給管２３ｂを、図４に示すシャワープレート２０Ａの第一ガス流路Ｈ３に挿入したときについて、以下に説明する。
【００８０】
上記のように、第二ガス供給管２３ｂの傾斜角度が周方向の位置で異なってしまうため、第二ガス供給管２３ｂは、第一流路Ｈ３の長手方向に対し傾斜したかたちで挿入されることになる。すなわち、図５（ｂ）に示されるように、ベース２４におけるΦ８００の範囲の周方向それぞれの直径の位置で、第一流路Ｈ３の長手方向の軸に対する第二ガス供給管２３ｂの軸の傾斜角度θが異なってしまう。そして、第二ガス供給管２３ｂの軸は、第一流路Ｈ３の長手方向の軸と平行にならず、Δｒの変位が発生する。
【００８１】
これにより、第二ガス供給管２３ｂ先端において第一流路Ｈ３により形成される混合室８の容積が、Φ８００の範囲の周方向において異なってしまう。それゆえ、第一ガス流路Ｈ３を流れる第一ガスと、第二ガス供給管２３ｂを流れる第二ガスとが、Φ８００の範囲で均等に混合されなくなる。その結果、同一処理間で、被処理基板３上で生成される膜厚分布や組成分布が均一にならず周方向において異なる、あるいは、結晶性が非常に粗悪な被処理基板３が得られ、非常に大きな問題となってしまう。
【００８２】
また、このような問題を解決するためには、混合室８の高さを長くすることが考えられる。しかしながら、混合室８の高さを長くことで、第一ガス流路Ｈ３の長さが長くなってしまい、部品材料のコスト増大、部品重量の増大といった取り扱いの問題に加え、この問題に付帯する安全性の問題、さらには、製作上での加工場の問題などが発生する。
【００８３】
本気相成長装置においては、上記の問題を解決するために、第一ガス流路Ｈ３の第一ガス出口２２ｃが、第二ガス供給管２３ｂの第二ガス出口２３ｃよりも基板保持部材４側に配されており、かつ、第二ガス供給管２３ｂの外壁が、第一ガス流路Ｈ３の内壁に接触している構成になっている。そして、第二ガス供給管２３ｂを流れる第二ガスは、第一ガス流路Ｈ３を流れる第一ガスに対し平行に流れるようになっている。図６は、上記の構成を備えたシャワープレート２０Ａ及び２０Ｂの構成を示す断面図である。
【００８４】
同図に示されるように、第二ガス流路Ｈ５が形成された第二ガス供給管２３ｂは、その外壁が第一流路Ｈ３の内壁に接触するように配置されている。この構成は以下のように組み立てることで実現される。
【００８５】
まず、図３のシミュレーション結果が示すように変形されたベース２４に固定された第二ガス供給管２３ｂを、傾斜角度θ（図５（ｂ）参照）を持った状態で、第一ガス流路Ｈ３に挿入し差し込む。そして、この差し込んだ状態で、ベース２４を矢印Ａの方向に移動させることで、第二ガス供給管２３ｂの外壁を第一ガス流路の内壁２２ｄに押し当てる。このとき、第二ガス供給管２３ｂにおいては、ベース２４に完全にＴＩＧ溶接されているが、第二ガス供給管２３ｂを構成する材料そのものには弾性がある。すなわち、第二ガス供給管２３ｂは、弾性体である。ここで、第二ガス供給管２３ｂの長さが７０ｍｍであるので、第二ガス供給管２３ｂを構成する材料そのものの弾性を利用し、第二ガス供給管２３ｂの変形量（傾斜）補正し、第二ガス供給管２３ｂの軸と第一流路Ｈ３の軸とが、互いに平行に保たれる。なお、第二ガス供給管２３ｂの軸と第一流路Ｈ３の軸とが互いに平行に保たれているためには、設計上、ベース２４の変形量を撓み量から計算して、変形量が最大でも０，５ｍｍあれば、充分第二ガス供給管２３ｂの傾斜を補正することが可能である。
【００８６】
次に、第二ガス供給管２３ｂの軸と第一流路Ｈ３の軸とが互いに平行に保たれている状態で、ベース２４の周方向の１０５０ｍｍの位置（不図示）にある、例えばＯリング７ｂをネジ止め等にて固定する。これらの操作により、図６に示される構成を作製することができる。
【００８７】
このように、第二ガス供給管２３ｂは、第一ガス流路Ｈ３に対し傾斜しており、この傾斜が、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス流路Ｈ３の内壁に当接することにより補正されて、第一ガス流路Ｈ３と平行になるように保持されるので、特別な装置を必要とせずに、第二ガス供給管２３ｂの外壁を、第一ガス流路Ｈ３の内壁に接触させ、第二ガス供給管２３ｂを流れる第二ガスが、第一ガス流路Ｈ３を流れる第一ガスに対し平行に流れるようにすることができる。
【００８８】
また、第二ガス供給管２３ｂの押し当て方向Ａは、第一流路Ｈ３の軸に対し垂直な方向であればよい。すなわち、押し当て方向Ａは、上側からベース２４を見たとき、上下左右どの方向であってもよい。これは、Ｏリング７ｂ等といったシール部材が円環状であり、さらに、ベース２４を動かす必要のある範囲が１ｍｍ以内であるため（第二ガス供給管２３ｂと第一ガス流路２９との直径の大きさから規定されている）、締結ネジのバカ穴分で充分吸収できる設計としたからである。
【００８９】
このように本気相成長装置は、第二ガス供給管２３ｂは、第一ガス流路に対し垂直方向に移動し、第一ガス流路内壁に押し当てることにより、第一ガス流路と平行になるように保持された構成である。
【００９０】
図６に示す構成により、第一ガス流路Ｈ３内の第一ガスのガス流と第二ガス供給管２３ｂ内の第二ガスのガス流とを互いに平行に平行にすることが可能になる。さらには、第二ガス流路Ｈ５が形成された第二ガス供給管２３ｂが第一ガス流路Ｈ３の内壁に接しており、第二ガス供給管２３ｂが、冷却空間２１により冷却されている第一ガス供給管２２ｂの内壁に直接接している構成になる。
【００９１】
従来から、第二ガス流路Ｈ５内部とその近傍に、基板加熱ヒーター６の輻射熱による温度上昇の影響をうけ、不要な生成物が生成し、この生成物が第二流路Ｈ５内部を閉塞させるという問題があった。しかしながら、上記の構成によれば、第二ガス供給管２３ｂが、冷却空間２１により冷却されている第一ガス供給管２２ｂの内壁に直接接しているので、第二ガス供給管２３ｂは、第一ガス流路Ｈ３が形成された第一ガス供給管２２ｂの壁部を介して、直接冷却されることになる。それゆえ、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂと同軸となる構成と比較して、基板加熱ヒーター６の輻射熱により生じた生成物が、第一ガス供給管２２ｂの外壁３１や第二ガス供給管２３ｂ等に堆積することなく、閉塞を防止することが可能となった。
【００９２】
ここで、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂと同軸となる構成においては、第一ガス及び第二ガスの混合ガスの濃度分布及び流速が実使用に耐えうるものであるという検証が行われている。本願発明者は、図６に示される構成が、上記同軸構成と同程度の、混合ガスの濃度分布及び流速を実現できるか否かをシミュレーションにより検証した。
【００９３】
上記の検証においては、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂと同軸となる構成（以下同軸構成と記す）、第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂの軸に対し傾斜した構成（以下、傾斜構成と記す）、及び第二ガス供給管２３ｂが第一ガス供給管２２ｂの内壁に接して配置された構成（以下、本構成と記す）それぞれについて、混合ガスの状態、特に混合ガスの流速が被処理基板３の膜質に影響を及ぼさないか否かを、シミュレーション解析し、検証を行った。図７は、同軸構成でのシミュレーション結果を示し、図７（ａ）は、同軸型で高さＨを５ｍｍ程度に既定したＶ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの流速分布の図を示し、図７（ｂ）は同軸型で高さＨを５ｍｍに既定した、Ｖ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの濃度分布を示し、図７（ｃ）は図７（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、図７（ｄ）〜図７（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。図８は、傾斜構成でのシミュレーション結果を示し、図８（ａ）は傾斜型での高さＨを５ｍｍ程度に既定したＶ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガスの流速分布の図を示し、図８（ｂ）は傾斜型で高さＨを５ｍｍに既定した、Ｖ族ガス及びＩＩＩ族ガスが混合されたガス濃度分布を示し、図８（ｃ）は図８（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、図８（ｄ）〜図８（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。図９は、本構成でのシミュレーション結果を示し、図９（ａ）は偏心型構造での流速分布を示し、図９（ｂ）は偏心型でのガス濃度分布を示し、図９（ｃ）は図９（ａ）の流速分布を上からみたときの分布を示す図を示し、図９（ｄ）〜図９（ｆ）はそれぞれ、高さ５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのそれぞれに位置での流速分布二次元断面を示すグラフである。
【００９４】
まず、これら図面には、混合室８にて第一ガス及び第二ガスが混合されるときの流速（流速ベクトル）が示されている。混合室８の高さＨを各種変更してシュミレーションしたとき、各高さＨにおいて、第一ガス及び第二ガスが、流速（流速ベクトル）が互いに干渉することなく平行になって、第一ガス出口から均等に吐出していれば充分に混合されたと考えてよい。なお、図７〜図９のシミュレーションでは、混合室８の高さＨを５ｍｍ、１０ｍｍｍ、及び１５ｍｍに変更している。そして、このとき、第一ガス、及び第二ガスの流速はそれぞれ、同一とした。
【００９５】
以下、シミュレーション結果について、詳述する。
【００９６】
まず、図７（ａ）〜図７（ｆ）に示されるように、同軸構成では、第二ガス供給管２３ｂの第二ガス出口２３ｃよりも下側５ｍｍの位置（混合室８の高さＨが５ｍｍ）において、第一ガス、及び第二ガスの流速が相互に干渉しあっていることがわかる。これは、図７（ａ）に示される流速グラフから読み取ることができる。
【００９７】
上記と同様に、図７（ｅ）のグラフから、第二ガス出口２３ｃよりも下側１０ｍｍの位置（混合室８の高さＨが１０ｍｍ）において、第一ガス、及び第二ガスの流速の若干の影響が確認された。そして、図７（ｆ）のグラフから、第二ガス出口２３ｃよりも下側１５ｍｍの位置（混合室８の高さＨが１５ｍｍ）において、第一ガス、及び第二ガスの流速が互いに干渉することなく、第一ガス、及び第二ガスが均等に混合し、理想的な速度分布を示していることがわかる。これらの結果から、同軸構成において、第一ガス、及び第二ガスが相互干渉せず充分に混合されるためには、混合室８の高さＨが少なくとも１５ｍｍである必要があることが分かった。
【００９８】
次に、図８（ａ）〜図８（ｆ）に示されるように、傾斜構成では、同軸構成に比べ、混合室８の高さＨが５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍそれぞれの位置において、第一ガス、及び第二ガスの流速が互いに干渉し、まったく混合されていないことがわかる。これは、第二ガス供給管２３ｂから吐出した第二ガスが、第一ガス供給管２２ｂの内壁に衝突し、さらに、第一ガス供給管２２ｂの軸に対し角度をかえた流速の分布をもっており、第二ガスが整流にならないためである。このような状態で混合ガスが被処理基板３に到達した場合、結晶性が安定した膜を得ることができない。さらには、上記でも述べたとおり、被処理基板３の円周上のそれぞれの位置においても、第二ガス供給管２３ｂの角度が異なるため、同一バッチで処理した被処理基板３に、互いに異なった結晶性を持つ膜が成長されてしまい、気相成長装置として、量産性がまったくないといえる。
【００９９】
本願発明者は、上記傾斜構成において、混合室８の高さＨがどの程度であれば、第一ガス供給管２２ｂを流れる第一ガスと第二ガス供給管２３ｂを流れる第二ガスとが充分に相互干渉しなくなるかをシミュレーションにより検証している。その結果、図示しないが、第一ガスと第二ガスとの相互干渉がなくなる高さＨは、３５ｍｍであった。この混合室８の高さＨは、必然的に第一ガス供給管２２ｂの高さが高くなり、大型化することを意味している。このため、傾斜構成では、シャワープレート２０Ａの大型化に起因する加工の難しさ、取り扱いの難しさ、重量増大、及び価格的にも非常に困難なものとなってしまう。
【０１００】
次に、上記本構成のように、第一ガス供給管２２ｂの内壁に第二ガス供給管２３ｂの外壁を接触させ、第一ガス供給管２２ｂを流れる第一ガス、第二ガス供給管２３ｂ内部を流れる第二ガスそれぞれが平行方向の成分しかもたない流速をつくりだした状態のシミュレーションを行った。この結果を図９（ａ）〜（ｆ）に示す。なお、上記シミュレーションにおける計算結果や条件等は同軸構成及び傾斜構成のシミュレーション条件と同等としている。
【０１０１】
図９（ａ）〜図９（ｆ）に示されるように、混合室８の高さＨが５ｍｍ、または１０ｍｍである位置では、第一ガス、及び第二ガスの流速が互いに干渉していることがわかる。これに対し、混合室８の高さＨが１５ｍｍである位置では、第一ガス、及び第二ガスの流速の相互干渉がなくなり、第一ガス、及び第二ガスが完全に混合し、理想的な速度分布を持った整流となって、第一ガス出口２２ｃから出て行くことがわかる。
【０１０２】
混合室８の高さＨが１５ｍｍである位置は、上記同軸構成のシミュレーションにて得られた結果と同等の高さである。これは、本構成のように、第一ガス供給管２２ｂと第二ガス供給管２３ｂとを同軸とせず、第二ガス供給管２３ｂの外壁を第一ガス供給管２２ｂの内壁に接触させ互いの管の傾き成分をなくしても、性能的には、同軸構成と変わらないことがいえる。さらに、第二ガス供給管２３ｂの設置範囲は、今後大きくなっていくことが将来的に予想される。本構成は、混合室８の高さＨを１５ｍｍ程度で抑えることが可能であるため、従来の構成と比較して、装置の加工、製作、及び組み立てにおいて、非常に有利となり、価格的にも安価に抑えることができる。
【０１０３】
また、本気相成長装置においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉１、シャワープレート２０Ａ・２０Ｂ、およびその他の部材の形状が、図１に示す形状に限定されないことは言うまでもない。
【０１０４】
上述の実施の形態において、第一ガスとして、ＩＩＩ族ガス、第二ガスとしてＶ族ガスを原料ガスとすることができる。
【０１０５】
なお、本発明において、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）などがあり、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の１種類以上を用いることができる。
【０１０６】
Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、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（ＮＨ３ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）またはアルシン（ＡｓＨ３ ）などの水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１０７】
（本発明の別の表現）
本発明の気相成長装置及び気相成長方法は、以下の（１）〜（７）のように表現することができる。
【０１０８】
（１）反応炉内に、被処理基板を載置する基板保持部材と、被処理基板加熱する基板加熱ヒーターと、基板保持部材と対向する位置に設けられ基板に向けて複数の原料ガスを供給するガス供給部を有する、気相成長装置において、ガス供給部は、第一ガス、及び第二ガスがそれぞれ独立に吐出する複数のガス流路を有するシャワープレート形状で構成され、第一ガス流路内に少なくとも１つ以上の第二ガス流路が内包されて配設され、第一ガス流路出口は、反応炉壁面と同一にて構成され、第二ガス流路出口は、第一ガス流路出口よりも、ガス供給源側、被処理基板より遠い側に構成され、第一ガス流路出口、反応炉壁面に接する、すなわち、第一ガス流路壁面に対してと第二ガス流路一部もしくは全面が接している且つ、第一流路内部を流れるガスに対し第二流路内部を流れるガスが平行であることを特徴とする気相成長装置。
【０１０９】
（２）第二ガス流路パイプにおいては、弾性をもつ構造部材もちいることを特徴とする（１）に記載の気相成長装置。
【０１１０】
（３）第二ガス流路パイプが第一流路構成部材の一部もしくは全面を使用し傾きを吸収、補正することを特徴とする（１）または（２）に記載の気相成長装置。
【０１１１】
（４）第二ガス流路構成部材がガス流に対して垂直方向、左右方向に可変可能であるであることを特徴とする、（１）〜（３）の何れかに記載の気相成長装置。
【０１１２】
（５）第一ガスとして、ＩＩＩ族ガス、第二ガスとしてＶ族ガスを原料ガスとすることを特徴とする（１）〜（４）の何れかに記載の気相成長装置。
【０１１３】
（６）第二ガス流路外周部が、第一ガス流路内周部から接触により冷却もしくは加熱される事を特徴とする（１）〜（５）の何れかに記載の気相成長装置。
【０１１４】
（７）（１）〜（６）の何れかに記載の気相成長装置を用いることを特徴とする気相成長方法。
【０１１５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔より基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１１７】
１    反応炉
２    反応室
２ａ    ガス排出口
２ｂ    壁面
３    被処理基板
４    基板保持部材
５    回転伝達部材
６    基板加熱ヒーター
７ａ    Ｏリング
７ｂ    Ｏリング
７ｃ    Ｏリング
８    混合室
２０    ガス供給部
２０Ａ  シャワープレート（第一シャワープレート）
２０Ｂ  シャワープレート（第二シャワープレート）
２１    冷媒空間
２１ａ  冷媒導入口
２１ｂ  冷媒排出口
２２    第一ガス分配空間
２２ａ  第一ガス導入口
２２ｂ  第一ガス供給管
２２ｃ  第一ガス出口
２３    第二ガス分配空間
２３ａ  第二ガス導入口
２３ｂ  第二ガス供給管
２３ｃ  第二ガス出口
２４    ベース
２５    上方プレート
２６    中心部
Ｈ３    第一ガス流路
Ｈ５    第二ガス流路
１０１  反応炉
１０２  ガス供給源
１０３  ガス配管
１０４  ガス排気部
１０５  パージライン
１０６  排ガス処理装置
１０７  基板
１０８  サセプタ
１０９  ヒーター
１１０  シャワープレート
１１１  成長室
１１２  回転軸
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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