(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の主面を有し、上記一対の主面の互いに対応する位置にそれぞれ開口部が設けられ、鉛直な軸方向に垂直な断面が矩形の形状を有し、上記断面の面積が軸方向下向きに進むにつれて減少する筒型の１つのライナーと、
一定間隔を置いてほぼ鉛直方向に互いに対向するように設けられ、上記ライナーの上記一対の主面の上記開口部にそれぞれ嵌合した、薄膜成長用基板を載置する一対のサセプタと、
上記一対のサセプタがそれぞれ固定された一対のサセプタ支持台と、
上記一対のサセプタ支持台のそれぞれを保持するように設けられた一対の保持壁と、
上記一対の保持壁のそれぞれの上記サセプタ支持台に対向する面に設けられた開口部に上記サセプタ支持台と対向するようにそれぞれ設けられた一対の光透過板と、
上記保持壁と上記光透過板とで構成された一対の気密保持壁および上記ライナーを覆うように設けられ、上記光透過板と対向する部分が開口した１つの包囲体とを有し、
上記サセプタ支持台は上記サセプタと上記ライナーと上記気密保持壁とによって囲まれた空間に設けられ、
上記一対のサセプタの間の空間によりガス流路が形成され、
上記包囲体と上記ライナーとが一体となって１つの外筐部が構成され、
上記サセプタと上記サセプタ支持台と上記気密保持壁とが一体となって一対の本体部が構成され、
上記外筐部と上記本体部とが脱着可能であり、
上記一対のサセプタの互いに対向する面に上記薄膜成長用基板が載置され、上記ライナーの上部のガス導入口から原料ガスが導入され、上記ガス流路を経て上記ライナーの下部のガス排出口から排出され、上記薄膜成長用基板に薄膜が成長されることを特徴とする化学気相成長装置。
【請求項２】
互いに対向する一対の主面を有し、上記一対の主面の互いに対応する位置にそれぞれ開口部が設けられた筒型の１つのライナーと、
一定間隔を置いてほぼ鉛直方向に互いに対向するように設けられ、上記ライナーの上記一対の主面の上記開口部にそれぞれ嵌合した、薄膜成長用基板を載置する一対のサセプタと、
上記一対のサセプタがそれぞれ固定された一対のサセプタ支持台と、
上記一対のサセプタ支持台のそれぞれを保持するように設けられた一対の保持壁と、
上記一対の保持壁のそれぞれの上記サセプタ支持台に対向する面に設けられた開口部に上記サセプタ支持台と対向するようにそれぞれ設けられた一対の光透過板と、
上記保持壁と上記光透過板とで構成された一対の気密保持壁および上記ライナーを覆うように設けられ、上記光透過板と対向する部分が開口した１つの包囲体とを有し、
上記サセプタ支持台は上記サセプタと上記ライナーと上記気密保持壁とによって囲まれた空間に設けられ、
上記一対のサセプタの間の空間によりガス流路が形成され、
上記包囲体と上記ライナーとが一体となって１つの外筐部が構成され、
上記サセプタと上記サセプタ支持台と上記気密保持壁とが一体となって一対の本体部が構成され、
上記外筐部と上記本体部とが脱着可能であり、
上記ガス流路は矩形の二次元流路であって、流路面のうちの対向する主面が上記ライナーと上記サセプタとで構成されており、上記対向する主面は下流に向かうに従って流路幅が狭くなるように互いに傾斜しており、
上記一対のサセプタの互いに対向する面に上記薄膜成長用基板が載置され、上記ライナーの上部のガス導入口から原料ガスが導入され、上記ガス流路を経て上記ライナーの下部のガス排出口から排出され、上記薄膜成長用基板に薄膜が成長されることを特徴とする化学気相成長装置。
【請求項３】
上記傾斜の角度が２°以上１０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の化学気相成長装置。
【請求項４】
互いに対向する一対の主面を有し、上記一対の主面の互いに対応する位置にそれぞれ開口部が設けられた筒型の１つのライナーと、
一定間隔を置いてほぼ鉛直方向に互いに対向するように設けられ、上記ライナーの上記一対の主面の上記開口部にそれぞれ嵌合した、薄膜成長用基板を載置する一対のサセプタと、
上記一対のサセプタがそれぞれ固定された一対のサセプタ支持台と、
上記一対のサセプタ支持台のそれぞれを保持するように設けられた一対の保持壁と、
上記一対の保持壁のそれぞれの上記サセプタ支持台に対向する面に設けられた開口部に上記サセプタ支持台と対向するようにそれぞれ設けられた一対の光透過板と、
上記保持壁と上記光透過板とで構成された一対の気密保持壁および上記ライナーを覆うように設けられ、上記光透過板と対向する部分が開口した１つの包囲体とを有し、
上記サセプタ支持台は上記サセプタと上記ライナーと上記気密保持壁とによって囲まれた空間に設けられ、
上記一対のサセプタの間の空間によりガス流路が形成され、
上記包囲体と上記ライナーとが一体となって１つの外筐部が構成され、
上記サセプタと上記サセプタ支持台と上記気密保持壁とが一体となって一対の本体部が構成され、
上記外筐部と上記本体部とが脱着可能であり、
上記外筐部と上記本体部とを分離した後に背面方向へ引き出す移動機構と、上記本体部を背面方向へ９０°回転する回転機構とを有し、
上記一対のサセプタの互いに対向する面に上記薄膜成長用基板が載置され、上記ライナーの上部のガス導入口から原料ガスが導入され、上記ガス流路を経て上記ライナーの下部のガス排出口から排出され、上記薄膜成長用基板に薄膜が成長されることを特徴とする化学気相成長装置。
【請求項５】
上記ライナーは、上記互いに対向する一対の主面を含む４面からなる筒型の形状を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の化学気相成長装置。
【請求項６】
上記光透過板を通じて上記サセプタの加熱が可能な加熱機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の化学気相成長装置。
【請求項７】
上記サセプタは円形であって、サセプタ回転機構によってサセプタの主面を回転させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の化学気相成長装置。
【請求項８】
上記原料ガスは、ＩＩＩ族原料ガスおよびＶ族原料ガスであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の化学気相成長装置。
【請求項９】
上記原料ガスは、ガス供給機構のガス供給路から供給されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の化学気相成長装置。
【請求項１０】
上記ガス供給路には、上記ライナーと上記サセプタとで構成された対向する流路面と平行に複数のガス通路壁が設けられ、上記複数のガス通路壁によって上記ガス供給路が仕切られることで複数のガス通路が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の化学気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、化学気相成長装置に関し、特に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて製造される、ＬＥＤ、半導体レーザなどの発光素子や通信用高周波トランジスタなどの素子は、シリコン（Ｓｉ）系素子とともに、現代の情報通信社会のハードウェアインフラストラクチャを構成している重要な素子である。
【０００３】
そして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のヘテロ接合を巧みに利用した構造によって、例えば半導体レーザなどのＳｉでは実現することができない領域において、Ｓｉ系素子と相補的な役割を担っている。
【０００４】
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子などの化合物半導体素子の製造においては、ＭＥＳＦＥＴなどの単純な構造の素子を除いて、ヘテロエピタキシ技術が重要な技術となっており、基本的にはこのへテロエピタキシ技術によって支えられているといっても過言ではない。そして、このヘテロエピタキシ技術としては、分子線エピタキシ法と化学気相成長法、特に、ＭＯＣＶＤ法とが現在主な技術であり、学術的には１９６０年代より研究されている。
【０００５】
ＭＯＣＶＤ法は、ＧａＡｓ系半導体レーザの製造のためのエピタキシャル成長技術として１９８３年ごろから実用化され、現在では、一度で多数枚の薄膜成長用基板（以下基板という）上にエピタキシャル成長を行うＭＯＣＶＤ装置が市販されている。この多数枚基板対応のＭＯＣＶＤ装置の要素技術においても様々な方式がある。すなわち、サセプタの形状としてはバレル型やパンケーキ型などがあり、ガス流の型としては高流速横型、高速回転型、縦型ダウンフロー型などがあり、基板の載置方法としては基板をガス流の上に置くもの（フェースダウン）やガス流の下に置くもの（フェースアップ）があり、加熱方式としては高周波加熱方式、抵抗加熱方式、ランプ加熱方式などがあり、それらの要素技術が組み合わされた様々な形式のＭＯＣＶＤ装置が開発・市販されている。そのなかでも、パンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置が広く一般的に用いられている。
【０００６】
図３７は従来のパンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置である化学気相成長装置１００を示した平面図である。図３８は、図３７における化学気相成長装置１００のＡ−Ａ′線における断面を示した断面図である。
【０００７】
図３７および図３８に示すように、この化学気相成長装置１００は、サセプタ１０２から上部壁までのスペースが小さく、回転板であるサセプタ１０２の同一円周上に複数の基板１０１が一定の間隔を置いて配置されている。基板１０１はサセプタ１０２上を自公転可能なように、別のサセプタ上などに設けられている。化学気相成長装置１００は、回転板の中心、すなわち回転軸にガス供給機構１０３を備えている。原料ガスは、ガス供給機構１０３から半径方向に噴き出すことで、ガス導入口１０４からサセプタ１０２上に供給される。このとき、サセプタが自公転を行い、必要に応じて下部から加熱することによってサセプタ上に載置された基板の成膜反応面上に均質な結晶を均一の膜厚で成長させることができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
しかしながら、この化学気相成長装置１００を用いて基板１０１上に薄膜を成長させる場合においては、原料ガス同士が接触することによって反応室内で副生成物が生成される。この副生成物は、例えば、反応室内の上部壁１０６やその他の部位に付着または堆積される。このことは、材料ガスの利用効率を低下させたり、上部壁１０６から落下した粉塵が基板の被膜層に混入して品質を低下させたりする恐れが生じる。これを除去するために、化学気相成長装置１００内部のメンテナンスを頻繁に行わねばならず、稼働率が低いという問題点があった。
【０００９】
これらの問題点を同時に解決するために、一対のサセプタを、原料ガスの流路を挟んで基板の保持面同士が互いに対向するように設け、上記一対のサセプタの各背面に上記ヒータをそれぞれ配置した鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置が提案されている。この鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置は、上述した副生成物が基板の生成膜に取って代わる。このことにより、従来のパンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置において必要だった壁面に付着した副生成物の除去作業が不要となる。このため、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置は、従来の構成のパンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置よりも原理的に優れているといえる（例えば特許文献２〜６参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−０１２０８５
【特許文献２】特開昭６３−８３２７４
【特許文献３】特開平２−３０２０２６
【特許文献４】特開平９−１２９５５３
【特許文献５】特開平１０−１０２２５７
【特許文献６】特開２００４−８３９９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置は数多く提案されている。しかしながら、実際の半導体製造の現場において、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置は実用化されていないのが実情である。
【００１２】
この実情について検討すると、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置で基板上に薄膜を形成するためには、基板を垂直に載置する必要がある。しかしながら、従来の方法を用いるだけでは、垂直に載置された基板のハンドリングは相当に難しい。
【００１３】
特に、ＭＯＣＶＤ装置において外部と反応室との間での基板の搬入および搬出を自動化する場合について検討すると、従来のパンケーキ型ＭＯＣＶＤ装置では、基板がサセプタの水平面全体で支持されているため、基板を支持するための構成は特別必要ではない。さらに、基板上部は開放されているため、基板をハンドリングロボットなどで脱着することに大きな困難性は生じない。
【００１４】
一方で、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置では、基板にかかる重力がパンケーキ型ＭＯＣＶＤ装置とは直交方向となるので、機械的な固定方式などの基板をサセプタに支持するための構成が必要となる。さらに、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置における基板の脱着、搬入および搬出は原料ガス流路に限定された非常に狭い領域で行われる。このため、従来のハンドリングロボットによる基板脱着機構をそのまま適用するのは困難である。また、基板の脱着、搬入および搬出をする場合には、ガス流路の端部に装着されている原料ガス供給機構や排出機構を取り外す必要がある。このように、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置における基板の脱着、搬入および搬出は非常に煩雑なものであり。装置への基板の搬入および搬出を自動化した実用的な方法はこれまでに提案されていない。
【００１５】
以上に述べたことからも、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置における基板の脱着、搬入および搬出を自動化する場合には、根本的な概念の変更が必要である。しかしながら、これを考慮して鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置に適用した例は公表されていない。鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置の基板の脱着、搬入および搬出をする方法としては、装置全体を分解し基板が載置されたサセプタを直接取り出すことが挙げられる。しかしながら、従来の構成の鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置では、装置の分解や組み立てに多くの時間が費やされることから、半導体製造の現場においては現実的な方法ではない。
【００１６】
以上検討したようなことから、従来においては、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置が実用装置として実現できなかった。このように、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置を実用化する場合においては、基板の装着および脱着の実用的な形態を考慮する必要がある。
【００１７】
したがって、この発明の目的は、従来と比較して基板の脱着、搬入および搬出を簡易にすることができる鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
薄膜成長用基板を載置する一対のサセプタを有し、
上記一対のサセプタは一定間隔を置いてほぼ鉛直方向に互いに対向して設けられ、
上記一対のサセプタの間の空間によりガス流路が形成され、
上記一対のサセプタの互いに対向する面に上記薄膜成長用基板が載置され、上記ガス流路の上部から原料ガスが導入され、下部から排出され、上記薄膜成長用基板に薄膜が成長される化学気相成長装置において、
上記一対のサセプタは、上記ガス流路と逆側の面がサセプタ支持台にそれぞれ固定されており、
上記サセプタ支持台は上記サセプタ支持台に固定された上記サセプタとライナーと気密保持壁によって囲まれた空間にそれぞれ設けられ、
上記ライナーは、互い対向する面を有し、上記一対のサセプタは、上記ライナーの対向する面にそれぞれ嵌合して設けられ、
上記気密保持壁は、上記サセプタ支持台を保持するように設けられた保持壁と上記サセプタ支持台と互いに対向するように設けられた光透過板とで構成され、
上記ライナーおよび上記気密保持壁の外部表面を覆うように包囲体が設けられ、
上記包囲体は、上記光透過板と対向する面が開口しており、
上記包囲体と、上記ライナーとが一体なることで外筐部が構成され、
上記外筐部以外の一対の部分がそれぞれ一体となることで本体部が構成され、
上記外筐部と上記本体部とが脱着可能であることを特徴とする化学気相成長装置である。
【００１９】
化学気相成長装置は、筐体部と本体部とで構成され、筐体部に２つの本体部が互いに対向して筐体部に装着されている。筐体部と本体部とは、脱着機構などによって簡易に装着、分離が可能な構成を有している。化学気相成長装置には、本体部を分離した後に本体部を変位させる移動機構、回転機構などを設けてもよい。移動機構としては、例えば、筐体部から本体部を分離した後に本体部背面に引き出す機構などが挙げられる。回転機構としては、筐体部から本体部を回転させて分離する機構、筐体部から本体部を引き出した後に本体部を任意の角度に回転する機構などが挙げられるが、移動機構および回転機構は上記のものに限定されるものではない。
【００２０】
サセプタの形状およびサセプタ支持台の形状は、基本的には限定されないが、主面が円形の円盤形状であることが好ましい。また、サセプタの大きさはサセプタ支持台の大きさよりも小さいことが好ましい。例えば、サセプタが円盤である場合には、サセプタ支持台は、サセプタよりも半径の大きな円盤であることが好ましい。また、サセプタはサセプタ支持台にどのように設けられていてもよいが、例えば、サセプタはサセプタ支持台と同心円の位置となるようにサセプタ支持台上に設けられることが好ましい。
【００２１】
ライナーは、互い対向する面を有し、上記一対のサセプタは、上記ライナーの互いに対向する面にそれぞれ取り囲まれるようにして接して設けられていれば基本的には限定されないが、サセプタの互いに対向する側の面が、ライナーと段差無く接していることが好ましい。また、ライナーは一体に形成されていることが好ましく、具体的には、例えば、４面からなる筒型の形状などが挙げられる。４面からなる筒型の形状は、例えば、直方体形状、互いに対向する２面が傾斜している漏斗状の形状、互いに対向する４面が傾斜している漏斗状の形状などが挙げられる。これに挙げた中でも、ライナーの形状は互いに対向する２面の少なくとも一部が傾斜している漏斗状の形状であることが好ましく、対向する傾斜面には一対のサセプタがそれぞれ嵌合するように空洞が設けられている。また、ライナーの傾斜は、特に限定されるものではなく、直線的な傾斜であっても、スロープ状の曲線的な傾斜であってもよいが、直線的な二次元傾斜であることが好ましい。また、ライナー全体が傾斜していても、ライナーの空洞部および空洞部と並行する部分のみが傾斜していてもよい。直線的な傾斜である場合にあっては、その傾斜角度は鉛直線に対して２°以上１０°以下であることが好ましい。また、互いに対向する面の傾斜角が鉛直線に関して鏡像の関係にあることが好ましい。また、ライナーを構成する材料は、耐熱性を有する材料であれば基本的には限定されないが、石英であることが好ましい。
【００２２】
ガス流路は、原料ガスなどが鉛直方向に上から下へ流れる。ガス流路を構成するガス導入部、ガス排出部およびガス流路部は、大気圧である外部から完全に気密が保持されるように構成されている。ガス流路の形態は基本的には限定されないが、流れ方向の断面が矩形の二次元流路であることが好ましい。また、ガス導入部である上流の開口部の流路断面積をガス排出部である下流の開口部よりも若干開き、下流に向かうに従って流路断面積を小さくしていくことが好ましい。具体的には、例えば、上述したように、ライナーとサセプタとで構成されている流路面を傾斜させて設けることで、下流に向かうに従い流路幅を狭くすることができる。流路面の傾斜が、直線的である場合にあっては、その傾斜角度は鉛直線に対して傾斜角度が２°以上１０°以下であることが好ましい。また、上流の開口部にはガス供給機構、下流の開口部にはガス排出機構を設けることも可能であって、ガス供給機構およびガス排出機構は従来公知のものを適宜選択することができる。
【００２３】
また、本発明者は、鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置で、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体をエピタキシャル成長させる場合についても、鋭意検討を行った。以下にその概要を説明する。
【００２４】
ＭＯＣＶＤ装置の中でも、特に、ＧａＮ系の半導体成長装置は昨今の白色ＬＥＤなどの需要の増大によりウエハが大口径化し、成長装置もそれに伴って大型化する傾向にある。ＧａＮ系の半導体成長装置は、サファイアまたは炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる基板上に約１０００［℃］の温度で有機ＩＩＩ族金属とＶ族原料であるＮＨ3とを反応させ、基板上にＧａＮなどの単結晶薄膜を成長させる。ＩＩＩ族のＧａ、Ａｌ、Ｉｎなどの原料はそれぞれＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）が用いられる。
【００２５】
一般に、ＭＯＣＶＤ法によって基板上にＧａＮの薄膜を成長させると、Ｖ族原料ガスとＩＩＩ族原料ガスとが気相中で反応し固体の中間生成物、半導体微粉末などが生成する。これらの生成物は反応容器の内部壁などに蓄積する。特に、パンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置においては、天井壁に堆積する。天井壁などに堆積した生成物は、一定の質量を越えると下方の基板上に落下し成膜反応面を汚染する。さらに、操作による振動や気流の乱れなどによっても、上記生成物が下方の基板に落下し、これも表面汚染の原因となる。
【００２６】
また、上述しように大口径のＧａＮ系半導体ウエハの必要性が急速に高まっている。特に、パンケーキ型のＭＯＣＶＤ装置においては、基板を公転させる必要性から、同一平面に少なくとも３枚の基板が載置される。このため、この基板を全て大口径とすると装置が著しく大型化することとなるため、基板の大口径化には限界がある。
【００２７】
そこで、ＭＯＣＶＤ装置を鉛直対向型基板載置方式とすることで、装置を必要以上に大型化せずに基板を大口径化することができる。しかしながら、上記に挙げた従来型の鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置では、Ａｓ系またはＰ系半導体には適用可能であるものの、温度などの種々の条件が必須であるＧａＮ系半導体ウエハの製造にそのまま適用することはできない。
【００２８】
さらに、大口径のＧａＮ系半導体ウエハを製造する場合においては歩留まりの問題が深刻であるという問題もある。微小な素子に用いられる小口径のＧａＮ系半導体ウエハを製造する場合においては、上述したような表面汚染による歩留り低下はあるものの、少しの歩留りの低下で済み、コスト的には大きな問題とはならなかった。ところが、大口径のＧａＮ系半導体ウエハを製造する場合においては、上述の表面汚染が歩留り低下に大きく影響することが懸念されてきている。また、素子製造コスト低減化のために、原料使用効率を高める必要が生じてきている。更に、省エネルギー製造の観点から、結晶成長における加熱エネルギーの低減化が望まれている。
【００２９】
本発明者の知見によれば、ＮＨ3を主原料として窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特にＧａＮ系半導体を成長させるためのＭＯＣＶＤ装置は、ＮＨ3の化学的特性を考慮すると、Ａｓ系またはＰ系半導体を成長させるためのＭＯＣＶＤ装置とは異なる技術的思想が必要である。すなわち、ＮＨ3を主な原料ガスとして用いてＧａＮ系半導体を成長させるようにした鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置においては、ＮＨ3の分解効率の低さ、気相中におけるＮＨ3とＩＩＩ族原料との高速な反応、１０００［℃］程度の高温成長における熱対流による原料供給の困難性などを考慮しなければならない点で、Ａｓ系またはＰ系半導体を成長させるための鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置とは異なる。これらのことを考慮して、大口径ＧａＮ系半導体ウエハに対応した鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置に適用した例は公表されていない。
【００３０】
ＭＯＣＶＤ装置によるＧａＮ系半導体の薄膜成長においては原料ガスとして、ＴＭＧ、アンモニア（ＮＨ3）、キャリアガスとして窒素（Ｎ2）や水素（Ｈ2）が用いられる。Ｎ2と有機金属とは気相中で高速に反応し、アダクトと呼ばれる中間生成物が生じる。アダクトは温度が高い領域ではメタン（ＮＨ4）を放出し、アダクトどうしが重合し分子量が大きくなり粒径が数１０ｎｍ程度のナノパーティクルとなる。微小なナノパーティクルは成長の原料ともなるが、確率的に大きくなった粒子は基板の表面に到達して、上述したような表面汚染となり結晶成長の欠陥につながる。
【００３１】
また、ＭＯＣＶＤ装置で基板上にＧａＮ系半導体を均一の膜厚で成長させる場合においては、１１００［℃］以上となる高温サセプタによる熱対流の影響を考慮する必要がある。特に、大口径基板上に均一に同時に化合物半導体を成長させるためには、大口径基板上に原料ガスを均一に供給しなければならず、そのためには原料ガスを大口径基板のあらゆる部分において等しい流速で流さなければならない。この場合、１１００［℃］以上となる高温サセプタによる大きな熱対流は無視することはできず、基板表面の近傍における原料ガス流に不均一性が生じる。また、熱対流によって上昇したナノパーティクルが反応室の天井に付着したり、原料ガス自体が反応室の天井で分解したりすることから原料ガスの使用効率は高いものであるとはいえなかった。
【００３２】
これらの熱対流による問題を解決するためには、一般的にはフェースダウン方式のＭＯＣＶＤ装置が理想的である。しかしながら、フェースダウン方式のＭＯＣＶＤ装置では基板の表面欠陥の問題や、基板上を流れる原料ガス流の不均一性の問題は抑制されるものの、基板の対向側に移動した原料ガスがそのまま外部へ排出されることから、原料ガスの利用効率は高いものとはいえなかった。
【００３３】
また、近年、Ｓｉ基板上のＧａＮ薄膜素子の重要性が認識され、大口径基板装置への期待が大きくなっている。Ｓｉ基板上にＧａＮ薄膜を形成する場合に、フェースダウン方式のＭＯＣＶＤ装置を適用すると、高温に熱せられたＳｉ基板は重力変形（下反り）が起こる。このＳｉ基板の下反りの変形によって、サセプタ中央部からのＳｉ基板の遊離が生じてしまうことから、フェースダウン方式のＭＯＣＶＤ装置に載置されるＳｉ基板の大口径化には懸念が生じている。
【００３４】
これらの、大口径のＧａＮ系半導体ウエハを製造する場合に新たに生じる問題解決する装置として、本発明者は鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置に着目した。
【００３５】
鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置は基板がほぼ鉛直に載置されるので、基板の表面欠陥の問題は生じにくい。また、基板表面の近傍における原料ガス流の不均一性を防止するためには、ガス流路においてガス導入口である上部開口を若干開き、下流に行くに従ってガス流路を狭くしていくことが有効である。特に基板上にＧａＮの単結晶薄膜を形成する際には、上記に挙げた問題点を考慮してガス流路の開口角度と原料ガスの流量を決定することが有効である。
【００３６】
しかしながら、大口径ＧａＮ系半導体ウエハの製造には、１０［ｋＰａ］以上の高粘性流かつ１１００［℃］以上の高温度、さらに回転が必須である。従来技術として上記に挙げた鉛直対向型基板載置方式のＭＯＣＶＤ装置では、上記のことは何ら開示されていないばかりか、装置の構成においても大口径ＧａＮ系半導体ウエハの製造にそのまま適用することはできない。この発明は、以上の検討に基づいても案出されたものである。
【００３７】
気密保持壁は、ライナーとサセプタとで閉空間を構成するように設けられれば基本的には限定されないが、基板上にＧａＮの薄膜を成長させる場合にあっては、保持部と光透過板とで構成され、ガス流路の気密性を有するように形成されることが好ましい。これは、光透過板を介してサセプタを加熱する必要があるからである。このとき、気密保持壁は上記閉空間も気密性を有するように構成されており、具体的には、保持部と光透過板とが気密性を有するように接合ざれている。
【００３８】
保持部は、気密性を有していれば基本的には限定されるものではなく、公知の固体材料を適宜選択して構成することができるが、耐熱性の高い材料であることが好ましい。保持部を構成する材料は、例えば、金属、樹脂、ゴム、ガラス、鉱物などが挙げられる。また、保持部はガス流路の気密性を保持するために肉厚に構成されることが好ましい。
【００３９】
光透過板は、光を良好に透過可能であれば基本的には限定されなく、公知の透明材料を適宜選択して構成することができるが、気密性および耐熱性を有する固体材料で構成されることが好ましい。光透過板を構成する材料は、例えば、透明石英、耐熱ガラスなどが挙げられる。また、光透過板は、ガス流路の気密性を保持するために肉厚に構成されることが好ましい。また、光透過板の大きさは基本的には限定されるものではないが、光透過板の主面が、対向して設けられているサセプタ支持台の主面よりも小さく、サセプタ支持台の上に設けられているサセプタよりも大きいことが好ましい。また、光透過板を通じてサセプタの加熱が可能な加熱機構を設けてもよい。加熱機構は、加熱が可能であれば基本的には限定されるものではなく、従来公知の加熱機器を適宜選択することができるが、例えば、ランプユニット、電熱ユニット、レーザーユニットなどが挙げられる。
【００４０】
また、サセプタは主面接線方向に回転させることもできる。サセプタを回転させるサセプタ回転機構は、サセプタまたはサセプタ支持台に、駆動装置で発生させた回転駆動を伝達する機構である。サセプタ回転機構は、例えば、歯車回転機構、ベルト回転機構、チェーン回転機構、シャフト回転機構、油圧式回転機構、カム式回転機構、それらを組み合わせた回転機構などが挙げられる。サセプタ回転機構が、例えば、歯車回転機構である場合は、サセプタ支持台の側面に設けられた歯車に歯車回転機構の歯車が噛み合うことで、サセプタの主面を回転させることができるが、サセプタ回転機構はこれらのものに限定されるものではない。
【００４１】
原料ガスは、基板上に成長させる半導体薄膜の種類によって、公知の原料ガスを適宜選択することができるが、サセプタ回転機構および加熱機構を用いる場合にあっては、原料ガスはＩＩＩ族原料ガスおよびＶ族原料ガスであることが好ましい。
【００４２】
この発明において化学気相成長装置とは典型的にはＭＯＣＶＤ装置であるが、これには限定されず、熱ＣＶＤ装置、光ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、エピタキシャルＣＶＤ装置などであってもよい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置を、筐体部と本体部とからなる構成とし、本体部を筐体部から分離できるようにしたので、従来と比較して基板の脱着、搬入および搬出を簡易にすることができる鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置を得ることができる。また、これにより、基板の脱着、搬入および搬出を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の第１の実施の形態による化学気相成長装置を示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態による化学気相成長装置のガス供給機構を示す断面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態による化学気相成長装置の基板を保持する機構の一例を示す平面図および断面図である。
【図４】この発明の実施例１による化学気相成長装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施例１による化学気相成長装置のガス流路の一方の流路面を示す平面図である。
【図６】この発明の実施例１による化学気相成長装置のガス流路の流路断面を示す略線図である。
【図７】この発明の実施例１による化学気相成長装置のガス流路の流路断面の要部を示す略線図である。
【図８】この発明の実施例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおいて計算に使用した計算領域および計算格子を示す断面図である。
【図９】この発明の実施例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおいてガス流路へ導入される原料ガスおよびキャリアガスを示した断面図である。
【図１０】この発明の実施例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおける熱境界面を示した断面図である。
【図１１】この発明の実施例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおけるＧａＮの反応領域を示した断面図である。
【図１２】この発明の実施例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおける熱境界面を示した断面図である。
【図１３】この発明の比較例１による化学気相成長装置を示す平面図である。
【図１４】この発明の比較例１による化学気相成長装置を示す平面図である。
【図１５】この発明の比較例１による化学気相成長装置を示す断面図である。
【図１６】この発明の比較例１による化学気相成長装置の要部を示す断面図である。
【図１７】この発明の比較例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおいて計算に使用した計算領域および計算格子を示す断面図である。
【図１８】この発明の比較例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおいてガス流路へ導入される原料ガスおよびキャリアガスを示した断面図である。
【図１９】この発明の比較例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおける熱境界面を示した断面図である。
【図２０】この発明の比較例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおけるＧａＮの反応領域を示した断面図である。
【図２１】この発明の比較例１の化学気相成長装置のシミュレーションにおける熱境界面を示した断面図である。
【図２２】この発明の実施例１における化学気相成長装置のＧａＮ成膜反応領域における温度分布の計算結果を示す略線図である。
【図２３】この発明の比較例１における化学気相成長装置のＧａＮ成膜反応領域における温度分布を示す略線図である。
【図２４】この発明の実施例１の化学気相成長装置において設定した熱境界面Ｆ−Ｇ−Ｈにおける熱流束分布を示す略線図である。
【図２５】この発明の比較例１の化学気相成長装置において設定した熱境界面Ｆ１−Ｇ１−Ｈ１における熱流束分布を示す略線図である。
【図２６】この発明の実施例１の化学気相成長装置のＧａＮ成膜反応領域および低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である
【図２７】この発明の比較例１の化学気相成長装置のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。
【図２８】この発明の比較例１の化学気相成長装置の低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。
【図２９】ＧａＮ薄膜の成長速度分布の算出に用いる示す計算モデルを示す略線図、断面図および断面図である。
【図３０】基板反応面におけるＧａＮの付着量を求めるための計算モデルを示す平面図である。
【図３１】この発明の実施例１の化学気相成長装置１０において自転する基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合の、ＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。
【図３２】この発明の比較例１の化学気相成長装置３０において自転する基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。
【図３３】この発明の第２の実施の形態による化学気相成長装置を示す断面図である。
【図３４】この発明の第２の実施の形態による化学気相成長装置のライナーの例を示す断面図である。
【図３５】この発明の第２の実施の形態による化学気相成長装置の互いに対向して設けられた本体部のうちの一方が取り外された部分から見た平面図である。
【図３６】この発明の第２の実施の形態による化学気相成長装置における基板１の脱着時の一例を示した断面図。
【図３７】従来のパンケーキ型の化学気相成長装置を示す平面図である。
【図３８】従来のパンケーキ型の化学気相成長装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、この発明の実施するための形態（以下「実施の形態」という）について図面を参照しながら説明する。
＜１．第１の実施の形態＞
図１は実施の形態による化学気相成長装置を示す要部断面図である。
【００４６】
図１に示すように、この化学気相成長装置１０は、基板１を載置する一対のサセプタ２がそれぞれライナー９と隙間無く嵌合することで面を形成し、この面を互いに対向させることでガス流路１５が形成される。サセプタ２は背面がそれぞれサセプタ支持台３の面上に固定されている。ライナー９の背面には、保持壁６と光透過板７とで構成された気密保持壁がサセプタ支持台３とは離れてサセプタ支持台を囲むようにして設けられている。気密保持壁のサセプタ支持台３に対向する面には開口部を有し、この開口部には光透過板７が隙間なく嵌合している。気密保持壁の光透過板７以外の領域は保持壁６で構成されている。気密保持壁の光透過板７以外の領域は保持壁６で構成されている。この気密保持壁とサセプタ２とライナー９とで囲まれた閉空間１６は外部からの気密が保持されている。これにより、サセプタ２とライナー９との嵌合部においてガス流路１５の気密性が損なわれても、閉空間の気密が保持されることで、ガス流路１５の気密も保持される。光透過板７は光が透過可能に構成されており、光透過板７を介してサセプタ支持台３を加熱可能にランプユニット８が設けられている。サセプタ支持台３は、閉空間１６内の保持壁６に設けられたサセプタ支持ホイール５とサセプタ回転ギア４Ｃとによって支持されている。サセプタ回転ギア４Ｃは、サセプタ回転機構４の一部を構成しており、サセプタ回転機構４によってサセプタ支持台３を主面接線方向に回転させることができる。ライナー９、気密保持壁およびガス流路１５で構成された外表面全体を覆うようにして包囲体１１が設けられている。包囲体１１は、上面および下面にはガス流路の開口がそれぞれ設けられており、ランプユニット８が設けられた側の面全体が開口している。これにより、保持部６の側面が包囲体１１によって封止され、閉空間１６およびガス流路１５は外部からの気密が保持される。また、ガス流路１５のガス導入口１２には原料ガスなど供給するガス供給機構１３が設けられており、ガス供給機構１３から供給された原料ガスはガス導入口１２およびガス流路１５を経てガス排出口１４から外部へ排出される。
【００４７】
図２は、ガス供給機構１３の断面拡大図である。ガス供給機構１３は、上記ガス供給路から結晶成長に用いられる原料ガスや結晶成長に直接寄与しないキャリアガス（ダミーガス）をサセプタ２に載せられた基板１に供給するためのものである。ガス供給機構１３は原料ガスを供給するガス供給路１７の開口が、ガス流路１５のガス導入口１２における開口と同一の形状、大きさを有する。ガス供給路１７はガス通路壁１３Ａと１３Ｂとで形成される。
【００４８】
ガス供給部の開口の形状は、例えば矩形形状などが挙げられ、この場合、図２に示すように、ガス供給路１７内に、流れ方向と平行かつ流路幅方向に互いに離れて４枚の平板のガス通路壁１３Ｂ〜１３Ｅを設けることで複数のガスラインが形成される。この４枚のガス通路壁１３Ｂ〜１３Ｅは、例えばガス流路１５の流路幅方向の中心軸Ｐ−Ｐを対称軸として左右に２枚ずつ設けられる。ガス通路壁１３Ｂ〜１３Ｅによって形成される複数のガスラインは、例えば、以下のように構成される。ガス通路壁１３Ａとガス通路壁１３Ｂとで仕切られる空間が、Ｖ族元素の原料ガスを流すための第１のガスライン１７Ａを構成する。ガス通路壁１３Ｂとガス通路壁１３Ｃとで仕切られる空間がＨ2ガスとＩＩＩ族元素の原料ガスの混合ガスを流すための第２のガスライン１７Ｂを構成する。ガス通路壁１３Ｃとガス通路壁１３Ｄとで仕切られる空間が例えばＮ2ガスを流すための第３のガスライン１７Ｃを形成する。ガス通路壁１３Ｄとガス通路壁１３Ｅとで仕切られる空間が例えばＨ２ガスとＩＩＩ族元素の原料ガスの混合ガスを流すための第４のガスライン１７Ｄを形成する。ガス通路壁１３Ｅとガス通路壁１３Ｆとで仕切られる空間がＶ族元素の原料ガスを流すための第５のガスライン１７Ｅを形成する。また、複数のガスラインは、ガス流れ方向と平行なガス供給機構１３の断面中心軸を対称軸として左右対称に構成されることが好ましい。また、複数のガスラインの幅は、基本的には限定されないが、例えば、第１のガスライン１７Ａと第２のガスライン１７Ｂと第３のガスライン１７Ｃとの幅の比が、１：１：４〜１：１：８の範囲であることが好ましく、１：１：５〜１：１：７の範囲であることがより好ましい。また、ＩＩＩ族元素やＶ族元素の原料ガスおよびＮ2ガスなどのキャリアガスはそれぞれのガス通路壁１３Ａ〜１３Ｆの側端面に取り付けられるＶＣＲジョイントなどのガス流入端子（図示せず）から導入されるように構成されている。これらの導入されたガスはそれぞれのガスライン１７Ａ〜Ｅを通過し、ガス導入口１２Ａ〜Ｅからそれぞれガス流路１５に導入される。また、化学気相成長装置１０は、ガス供給機構１３を設けずに直接ガス流路１５内の上記のガスを導入することもできる。この場合においては、ガス流路１５内に上述したような複数のガスラインを形成することもできる。
【００４９】
サセプタ２は、例えば円板状のＳｉＣ板である。サセプタ２のガス流路１５を構成する側の面には、例えば、凹部が設けられている。基板１がこの凹部に隙間なく嵌合し、サセプタ２の面と基板１の面とで同一平面を構成することによって、サセプタ２に基板１が保持される。基板１は、基板１の中心がサセプタ２と同心円の位置となるように保持されることが好ましい。
【００５０】
図３Ａはサセプタ２に基板１を保持する機構の一例を示した平面図である。図３Ｂは基板１を保持する保持体の一例を示した平面図である。
【００５１】
図３Ａに示すように、サセプタ２の基板１の側面と接する内縁部には、一定間隔
をおいて空洞部２２が設けられている。空洞部２２の内部には保持体２１が設けられている。図３Ｂに示すように、保持体２１は、回転部２１Ａとストッパ部２１Ｂとが一体となって構成されている。回転部２１は、空洞部２２内に設けられていれば基本的には限定されないが、例えば、回転部２１Ａの上面が、サセプタ２の上面に露出するように設けられることが好ましく、また、サセプタ２の上面と回転部２１Ａの上面とが面一となるように設けられることが好ましい。また、回転部２１Ａの上面は表面には、例えば、回転孔が設けられており、この回転孔を回すことによってストッパ部２１Ｂが回転する。ストッパ部２１Ｂの形状は、回転した時に基板１を保持できるような形状であれば基本的には限定されないが、例えば、楕円形状、カム形状などであることが好ましい。
【００５２】
図３Ｃはサセプタ２に基板１を保持する場合の一例を示した、図３ＡのＥ’−Ｅ線における垂直断面図である。図３Ｃ上側の図に示すように、基板１を載置または除去する場合には、ストッパ部２１Ｂが基板１の側面部と離れている。一方で、図３Ｃ下側の図に示すように、基板１を固定する場合にはストッパ部２１Ｂの側面が基板１の側面部と接する。基板１の固定は、回転部２１Ａを一定量回転させることでストッパ部２１Ｂも回転し、ストッパ部２１Ｂの側面が基板１の側面部と接することで固定される。
【００５３】
サセプタ２に基板１を保持する方法は、上記に挙げた方法の他に、例えば、ねじやピンで固定する方法が挙げられる。しかしながら、基板１をねじやピンなどをサセプタ２に保持体として用いると、これらの保持体の突起に起因するガスの乱れやシャドー効果などが発生し結晶成膜に悪影響を及ぼす。そこで、上記のような支持体２１を用いることで、流路面が滑らかとなり、これらの悪影響を最小限とすることができる。また、ガス流路１５内においてガスの滑らかな流れを維持するために、ガス流路１５を形成する基板１の面、サセプタ２の面およびライナー９の面の継ぎ目が滑らかであることが好ましい。具体的には、例えば、ガス流路１５を形成するサセプタ２の面と基板１の面とは同一の平面上にあることが好ましいが、このことに限定されるものではない。
【００５４】
また、サセプタ２は上述したように、サセプタ支持台３上に固定して設けられ、サセプタ支持台３が回転することによってサセプタ２が自転可能となるように構成されている。サセプタ支持台３は、例えばサセプタ２の直径よりもやや大きな幅を有する円板状または円環状のＳｉＣ板である。サセプタ支持台３は、サセプタ支持台３とサセプタ２とが同心円の位置となるように設けられることが好ましい。また、サセプタ２とサセプタ支持台３とは良好に熱伝導が可能となるように隙間なく接していることが好ましい。また、サセプタ支持台は、ドーナツ状としてもよく、光源となる加熱ランプからの光が直接サセプタに照射されるようにすることもできる。
【００５５】
サセプタ回転機構４は、モータ４Ａと回転ユニット４Ｂとサセプタ回転ギア４Ｃとから構成される。サセプタ回転機構４は、回転ユニット４Ｂを介してモータ４Ａからサセプタ回転ギア４Ｃに回転力が伝えられる。回転ユニット４Ｂは、モータ４Ａからの回転力をサセプタ回転ギア４Ｃに伝達できる機構であればどのようなものであってもよいが、例えば、ギア伝達機構、ベルト伝達機構、チェーン伝達機構などが挙げられる。
【００５６】
サセプタ支持台３は、例えば、サセプタ支持台３の外周にギアを設け、このギアがサセプタ回転ギア４Ｃと噛み合うことによってサセプタ回転ギア４Ｃからサセプタ支持台３に回転力が伝達する。サセプタ回転ギア４Ｃの回転軸は、サセプタ２の中心軸と平行であることが好ましい。また、サセプタ支持台３の外周部には、サセプタ回転ギア４Ｃとは別に少なくとも１つのサセプタ支持ホイール５が設けられ、サセプタ回転ギア４Ｃとサセプタ支持ホイール５とでサセプタ支持台３が保持される。サセプタ支持ホイール５は、例えば、保持部６に固定して設けられる。サセプタ支持ホイール５は、サセプタ支持台３を、その回転を阻害せずに保持できればどのような構成であってもよいが、例えばサセプタ支持ホイール５外周に設けられたギアとサセプタ支持台３の外周に設けられたギアとが噛み合うことによって保持される。このとき、サセプタ支持ホイール５の中心軸は、サセプタ２の中心軸と平行であることが好ましい。また、サセプタ支持ホイール５の位置は、サセプタ回転ギア４Ｃと干渉しない位置であれば基本的には限定されないが、例えば、任意の位置から、サセプタ支持台３の円周に沿って１２０°毎にサセプタ支持ホイール５を設けてもよいし、サセプタ回転ギア４Ｃの位置から、サセプタ支持台３の円周に沿って９０°毎にサセプタ支持ホイール５を３つ設けてもよい。
【００５７】
サセプタ支持台３および／またはサセプタ２を加熱するためのランプユニット８は、光源となる棒状の加熱ランプ８Ｂと、加熱ランプ８Ｂから出される赤外線をサセプタ２に集光するためのランプハウス８Ａとを有する。ランプハウス８Ａは、加熱ランプ８Ｂの周囲を覆うようにして設けられることで加熱ランプ８Ｂからは出射する光を反射して集光する。ランプハウス８Ａの形状は、垂直断面形状が例えば放物線の形状をしており、棒状の加熱ランプ８Ｂはこの放物線の焦点の位置に設けられている。また、ランプハウス８Ａの内周面は光反射面となっており、加熱ランプ８Ｂから発する赤外線をこの光反射面で反射させることで、サセプタ２の中心軸と平行に赤外線が出射されサセプタ支持台３に集光するように構成されている。ランプユニット８とサセプタ２およびサセプタ支持台３で構成される反応部とは、光透過板７によって空間的に仕切られ分離されている。光透過板７の形状は、ランプユニット８の形状に対応している。ランプユニット８は、光透過板７の背面側に設けられていれば基本的には限定されないが、例えば、複数の棒状の加熱ランプ８Ｂが並列に設けられていることが好ましく、複数の棒状の加熱ランプ８Ｂが互いに平行に設けられていることがより好ましく、複数の棒状の加熱ランプ８Ｂが隙間無く設けられていることが最も好ましい。また、例えば、棒状の加熱ランプ８Ｂがガス流れ方向に対して垂直または平行に設けられていることが好ましい。
【００５８】
光透過板７は、例えばサセプタ支持台３の直径よりもやや大きな幅を有する円板状の石英板であり、保持壁６の一部を構成している。この円板状の石英板は、例えば、サセプタ支持台３と平行に、円板状の石英板に中心がサセプタ支持台３の中心軸上となる位置に設けられる。
【００５９】
ライナー９は、例えば、筒形状を形成する４面が線対称な漏斗状の形状を有し、４面のうち対向する２つの主面には、サセプタ２が隙間無く嵌合するような形態を有する開口部が設けられている。ライナー９の形状は、具体的には、例えば、軸方向の断面が矩形の形状を有し、軸方向の断面が軸方向下向きに向かうにつれて減少するような形状が好ましい、また、軸方向下向きに一定距離は、軸方向下向きに向かうにつれて軸方向の断面が減少し、一定距離を越えると軸方向の断面積は減少しない形状としてもよい。また、軸方向の断面が軸方向下向きに向かうにつれて減少する場合、軸方向の断面積が相似形であることが好ましい。
【００６０】
閉空間１６は不活性ガスで満たされるように構成されている。また、不活性ガスを光透過板７の閉空間１６側の面に吹き付けるための不活性ガス導入管（図示せず）が設けられている。これは、結晶成長が行われている際に、ガス流路１５に流されるガスが、サセプタ２が回転する際に、サセプタ２と保持壁６との摺動面の隙間から閉空間１６内に漏れる可能性があり、この漏れたガスが光透過板７に付着して曇り、光透過板７を透過する光量を減少させてしまうので、これを防止するためである。すなわち、不活性ガス導入管を通じて、不活性ガスを光透過板７の閉空間１６側の面に吹きつけることにより、光透過板７の曇り止めを行い、ランプユニット８からの一定の赤外線量を維持するようにする。
【００６１】
ガス流路１５は、ライナー９とサセプタ２とで構成される流路壁が対向することによって形成される二次元流路である。ガス流路１５の側部は平板状のライナー９を設けることによって完全に塞がれガス流路１５の側部は気密性を維持する。ガス流路１５の側部は、ライナー９に代えて、例えば、保持部６、包囲体１１などを設けてもよい。ガス導入口１２から供給された原料ガスおよびキャリアガスはガス流路１５を鉛直方向下向きに通過し、反応室１５Ａを経てガス排出口１４から外部に排出される。ガス流路１５の形状は、ガス導入口１２とガス排出口１４との間をガスが通過可能な形状を有していれば基本的には限定されないが、ガス流路１５は鉛直方向に伸びる直線を軸とした左右対称の形状を有していることが好ましい。また、ガス流路１５は、下流に向かうに従って流路幅が一定の割合で狭まっていくことが好ましい。具体的には、例えばサセプタ２とライナー９とで構成される流路壁を、鉛直方向に対して一定の角度で傾斜させて構成し、この流路壁を互いに対向させることによってガス流路１５を略Ｖ字状の二次元流路とする形態が挙げられる。また、ガス流路１５の流路壁のうち、サセプタ２と、ライナー９のサセプタ２と流れ方向の座標が等しい領域とを鉛直方向に対して一定の角度で傾斜させ、この流路壁を互いに対向させることによってガス流路１５の一部を略Ｖ字状の二次元流路とする形態が挙げられる。これらによって、下流部におけるガス流速が維持される。また、下流における原料ガスの濃度低下を小さくすることもできる。このときの流路壁の傾斜角度は基本的には限定されないが、鉛直方向に対してなす角が２°以上１０°以下であることが好ましく、３°以上８°以下であることがより好ましく、４°以上６°以下であることが最も好ましい。また、鉛直方向に対してなす角を１０°以下としたのは開口角度が１０°よりも大きいと下流部の流速が極端に大きくなり、下流部における成長膜厚が極端に増加するためである。
【００６２】
また、ガス流路１５の流れ方向の断面のアスペクト比は基本的には限定されないが、できるだけ大きいことが好ましい。これはガス流路１５の側壁（サセプタ２と直交する側の流路壁）に生じる境界層の影響を最小限とするためである。ガス流路１５の流れ方向の断面のアスペクト比は、具体的には、例えば、断面の長辺／短辺の値が、４以上３０以下であることが好ましく、７以上１７以下であることがより好ましく、８以上１０以下であることが最も好ましい。また、ガス流路１５の断面積が流れ方向に進むに従って減少するとき、断面のアスペクト比が流れ方向に変化するように構成してもよいし、流れ方向に変化しないように構成してもよい。ガス流路１５の流れ方向の断面のアスペクト比が流れ方向に変化する場合にあっては、下流に向かうに従ってアスペクト比を増加していくようにガス流路１５を構成することが好ましい。これは、ガス流路１５の下流に向かうに従い、側壁に生じる境界層が発達するためである。
【００６３】
また、ガス流路１５の流路壁の形状は中間領域が傾斜していれば、上流領域、下流領域の形状は特に限定されないが、下流領域において狭搾した流路を拡張することによってベンチュリ形状とし、原料ガスの排出を促進することが好ましい。
【００６４】
包囲体１１は、閉空間１６およびガス流路１５が外部から気密を保持するように設けられていれば基本的には限定されないが、保持壁６と包囲体１１と脱着可能に設けられていることが好ましい。そうすると、包囲体１１は筒状形状を有する。包囲体１１は具体的には例えば筒状の形状を有するステンレス製のエンクロージャである。
【００６５】
次に、化学気相成長装置のガス流路に原料ガスおよびキャリアガスを流し、基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合を想定した計算シミュレーションを行った。このシミュレーションは、鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置１０とパンケーキ型の化学気相成長装置３０とにおいて行った。
【００６６】
＜実施例１＞
まず、実施例１として、鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置１０の基板１上にＧａＮ薄膜を成長させた場合を想定した計算シミュレーションを行った。まず、計算シミュレーションに用いた化学気相成長装置について説明する。
【００６７】
図４Ａは化学気相成長装置１０を上面から見た平面図、図４Ｂは図４Ａ中に示したＡ−Ａ’線による垂直断面図を示したものである。実施例１の化学気相成長装置１０についてはガス流れ方向をｘ、流路壁の幅方向をｙおよびガス流れ幅方向をｚと規定する。ここで、Ａ−Ａ’線は化学気相成長装置１０のｙ方向の中心線、Ｂ−Ｂ’線はｚ方向の中心線であり、化学気相成長装置１０の頂面におけるＡ−Ａ’線とＢ−Ｂ’線との交点を原点Ｏとする。
【００６８】
図４ＡおよびＢに示すように、この化学気相成長装置１０は、第１の実施の形態による化学気相成長装置１０と同様な構成を有する。実施例１による化学気相成長装置１０は、これらの構成のうち基板１をＳｉ、サセプタ２をＳｉＣ、ライナー９を石英、ガス供給機構１３の流路壁を石英とした。その他の構成は上記に示した第１の実施の形態による化学気相成長装置１０の構成を有する。
【００６９】
図５は実施例１による化学気相成長装置１０のガス流路１５を構成する一方の流路壁のｘ−ｚ平面と平行な面を示す平面図である。図５に示すように、ガス流路１５の流路壁は、石英からなるライナー９とＳｉＣからなるサセプタ２とによって構成されている。ライナー９のガス導入口１２側の端辺には、ガス供給機構１３がｘ方向に直列して連結されている。ガス供給機構１３の流路壁は石英からなる。ライナー９のｘ方向の長さは３３［ｃｍ］、ガス供給機構１３のｘ方向の長さは６［ｃｍ］である。ライナー９およびガス供給機構１３のｙ方向の長さは共に２５［ｃｍ］である。ライナー９は主面に半径１１．５［ｃｍ］の円形の開口部を有する。開口部は、ライナー９の流れ方向上端部から１７．５［ｃｍ］、側端部から１２．５［ｃｍ］の位置が中心となるように設けられる。この開口部には、半径１１．５［ｃｍ］の円盤状のサセプタ２が隙間無く嵌合している。サセプタ２上には、半径１０［ｃｍ］の円盤状のＳｉからなる基板１がサセプタ２と同心円の位置となるように載置されている。
【００７０】
図６は図５に示した流路壁を、ガス流路１５の中心線であるＡ−Ａ‘線に沿って切り取った断面図を示す。ここで、ｙ方向については流路壁から図中に一点鎖線で示したガス流路１５の中心軸までの領域を示す。図６に示すように、ライナー９のガス導入口１２側の端辺にガス供給機構１３が段差無く接続されている。ガス供給機構１３の流路は複数の石英からなる流路壁によって仕切られており、これらによって複数のガスライン１７Ａ〜１７Ｃを構成されている。ライナー９のガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］未満の領域においてはｘ−ｚ平面に平行に設けられている。サセプタ２はガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］以上２９［ｃｍ］未満の領域に設けられる。サセプタ２は、ガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］未満の領域におけるライナー９に対してガス流路１５の中心軸Ｂ−Ｂ'に向かう方向に一定角度傾斜して設けられている。ガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］以上２９［ｃｍ］未満の領域のライナー９においては、サセプタ２と同じ角度に傾斜して設けられている。これによって、この領域における流路壁はライナー９の面とサセプタ２の面とによって構成された平面となる。ライナー９のガス導入口１２からｘ方向に２９［ｃｍ］以上３３［ｃｍ］以下の領域においては、ｘ−ｚ平面に平行に設けられている。
【００７１】
図７Ａ〜Ｃは図６に示した断面図の破線で囲まれた複数の領域Ａ〜Ｃをそれぞれ拡大して示した図である。ここで、図７Ａは図６における領域Ａの拡大図、図７Ｂは図６における領域Ｂの拡大図、図７Ｃは図６における領域Ｃの拡大図をそれぞれ示す。
【００７２】
図７Ａに示すように、ガス供給機構１３は、厚さ（ｙ方向側長さ）０．５［ｃｍ］
］のガス通路壁１３Ａのｙ方向に間隔を置いて厚さ０．１［ｃｍ］のガス通路壁１３Ｂが平行して設けられ、ガス通路壁１３Ｂのｙ方向にさらに間隔を置いて厚さ０．１［ｃｍ］のガス通路壁１３Ｃが平行に設けられている。ガス通路壁１３Ａ〜Ｃのｘ方向長さはともに６［ｃｍ］、ｚ方向長さはともに２５［ｃｍ］であり、ガス通路壁１３Ａ〜Ｃはｘ方向およびｚ方向の位置を同じくして設けられる。ガス通路壁１３Ａとガス通路壁１３Ｂとのｙ方向の間隔は０．２５［ｃｍ］であって、これによって、ガス通路壁１３Ａと１３Ｂとによって完全に仕切られたガス通路幅０．２５［ｃｍ］の第１のガスライン１７Ａが形成される。また、ガス通路壁１３Ｂとガス通路壁１３Ｃとのｙ方向の間隔は０．２５［ｃｍ］であって、これによって、ガス通路壁１３Ｂと１３Ｃとによって完全に仕切られたガス通路幅０．２５［ｃｍ］の第２のガスライン１７Ｂが形成される。また、ガス通路壁１３Ｃから、ガス流路１５の中心軸Ｂ−Ｂ’までのｙ方向距離は０．７５［ｃｍ］である。ガス通路壁１３Ｃのｙ方向側には、軸Ｂ−Ｂ'を対称軸としてガス通路壁１３Ａ〜Ｃと線対称にガス通路壁１３Ｄ〜Ｆ（図示せず）が設けられる。これらによって、ガス通路壁１３Ｃとガス通路壁１３Ｄとによって完全に仕切られたガス通路幅１．５［ｃｍ］の第３のガスライン１７Ｃと、ガス通路壁１３Ｄとガス通路壁１３Ｅとによって完全に仕切られたガス通路幅０．２５［ｃｍ］の第４のガスライン１７Ｄと、ガス通路壁１３Ｅとガス通路壁１３Ｆとによって完全に仕切られたガス通路幅０．２５［ｃｍ］の第５のガスライン１７Ｅとが形成される。
【００７３】
また、図７Ｂに示すように、ガス導入口１２からｘ方向へ６［ｃｍ］以下の領域においては流路壁が全てライナー９で構成され、流路壁は軸Ｂ−Ｂ’と平行に設けられている。これにより、この領域における流路壁とガス流路１５の中心軸とのｙ方向距離は全域で１．４５［ｃｍ］となる。流路壁のガス導入口１２からｘ方向へ６［ｃｍ］の地点においてはライナー９の開口部と、サセプタ２との互いに対向する側面とが段差無く接している。このとき、サセプタ２は、ｘ方向に互いに対向するライナー９に対してｙ方向に３°傾斜するようにして設けられる。サセプタ２はｘ方向に２３［ｃｍ］の大きさを有するため、ガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］以上２９［ｃｍ］未満の領域おける流路壁は、サセプタ２とライナー９とで構成される。この領域における流路壁とガス流路１５の中心軸とのｙ方向距離は、ガス導入口１２からｘ方向に６［ｃｍ］の位置からの流れ方向距離ｘに対してｙ＝ｘｔａｎ３°で与えられる。サセプタ２の反応室１５Ａ側の面には、サセプタ２の側面から半径方向に１．５［ｃｍ］内側の線を縁とする深さ０．１［ｃｍ］の円形の凹部が設けられている。この凹部には、半径２０［ｃｍ］、厚さ０．１［ｃｍ］のＳｉ基板である基板１が隙間無く嵌合することで載置される。
【００７４】
また、図７Ｃに示すように、ライナー９の開口部側面と互いに対向するサセプタ２の側面とが段差無く接している。ガス導入口１２からｘ方向に２９［ｃｍ］以上３３［ｃｍ］以下の領域においては、流路壁が全てライナー９で構成され、流路壁は軸Ｂ−Ｂ’と平行に設けられている。これによって流路壁とガス流路１５の中心軸とのｙ方向距離は全域で０．２５［ｃｍ］となる。
【００７５】
次に、この化学気相成長装置１０を用いて基板１の表面にＧａＮ薄膜を成長させるシミュレーションを行った。ＧａＮ薄膜の成長シミュレーションには有限要素法を利用した。
【００７６】
図８は、このシミュレーションにおける計算領域および計算に使用した計算格子を示す。
図８に示すように、計算領域は、化学気相成長装置１０のｘ方向断面うちガス流路１５の中心軸Ｂ−Ｂ’を端辺とする片側領域とした。計算格子は図中に示したように計算領域を約１４０００セルに格子状に区切った。
【００７７】
表１は、このシミュレーションに使用する化学気相成長装置１０を構成する材料の物性値、および流体領域における計算条件を示したものである。ここで、流体領域は、ガス導入口１２からガス排出口１４に至るまでのガス流路１５の空間領域である。
【００７８】
【表１】
0005470550.tif 000002
【００７９】
表１に示すように、この化学気相成長装置１０は基板１がＳｉ、サセプタ２がＳｉＣ、ライナー９が不透明な石英によってそれぞれ構成されている。ここで、Ｓｉの輻射率については、基板１表面の輻射率を用いることとする。これは、Ｓｉからの光の放射は成膜反応面である基板１表面のみからであると考慮するためである。また、流体領域における計算条件は以下のように設定する。流体領域を流れるガスの密度は状態方程式から導出され、粘性係数、熱伝導率および輸送物性は分子運動論に基づいた算出式から導出され、比熱はＪＡＮＮＡＦの係数に基づいた算出式から導出される。また、流体領域における輻射物性は透過とし、流体領域においては輻射が起こらない。
【００８０】
図９は基板１の表面にＧａＮ薄膜を成長させる場合に、ガス流路１５へ導入される原料ガスおよびキャリアガスを示した断面図である。この図においては簡単のために、化学気相成長装置１０のｘ方向スケールを５分の１程度としている。
【００８１】
図９に示すように、それぞれのガス導入口を経て、ガス供給機構１３からガス流路１５へ原料ガスおよびキャリアガスがそれぞれ流入する。ガス導入口１２Ａ〜Ｃは対応するガスラインの出口面である。供給されるガスは、具体的には、ガス導入口１２ＡからはＮＨ3ガス、ガス導入口１２ＢからはＨ2とＴＭＧの混合ガス、ガス導入口１２ＣからはＮ2ガスがそれぞれ供給される。ガス流路１５内に流入したそれぞれのガスはサセプタ２および基板１の表面を通過した後にガス排出口１４から外部に排出される。重力方向はガスの流れ方向と同一のｘ方向で重力加速度ｇ＝９．８［ｍ／ｓ2］で与える。また、ガス流路１５のＢ−Ｂ’線を対称境界として計算を行う。
【００８２】
表２は、それぞれのガス導入口からガス流路１５に流入するガスの流入条件を示したものである。流入境界面は、ガス導入口１２Ａ〜Ｃとする。
【００８３】
【表２】
0005470550.tif 000003
【００８４】
表２に示すように、ガス導入口１２Ａからガス流路１５内へは、第１のガスライン１７Ａから供給された原料ガスであるＮＨ3ガスが流入する。ＮＨ3ガスの流速は、流入境界面おいて０．４４５［ｍ／ｓ］である。また、ガス導入口１２Ｂからガス流路１５内へは、第２のガスライン１７Ｂから供給されたキャリアガスであるＨ2ガスと原料ガスであるＴＭＧガスとの混合ガスが流入する。Ｈ2ガスとＴＭＧガスとの混合ガスの流速は、流入境界面において０．４４６［ｍ／ｓ］である。また、Ｈ2ガスとＴＭＧガスとの比率は、質量分率で、Ｈ2：ＴＭＧ＝０．９４６：０．０５４である。これにより、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料との供給比はＶ：ＩＩＩ＝１２５：１となる。また、ガス導入口１２Ｃからガス流路１５内へは、第３のガスライン１７Ｃから供給された原料ガスであるＮ2ガスがガス流路１５内に流入する。Ｎ2ガスの流速は流入境界面において０．４４５［ｍ／ｓ］である。それぞれのガス導入口からガス流路１５内に流入するガスの質量分率は流入境界面において、ＮＨ3：Ｈ2＋ＴＭＧ：Ｎ2＝１：１：１である。また、ガス流路１５内に流入するガスの温度は全て３００［Ｋ］とした。また、ガス流路１５からの流出条件については、境界面をガス排出口１４の出口面とし、この境界面における圧力を１０００００［Ｐａ］とした。
【００８５】
図１０は基板１の表面にＧａＮ薄膜を成長させたときの化学気相成長装置１０における熱境界条件が適用される熱境界面１〜５を示した断面図である。この図においても同様に、化学気相成長装置１０のｘ方向スケールを５分の１程度としている。また、化学気相成長装置１０が占める領域以外の領域を外部領域とする。
【００８６】
図１０に示すように、化学気相成長装置１０において熱境界面１〜５を以下のように設定した。
・熱境界面１：ガス流入面と外部領域との境界面。
・熱境界面２：サセプタ２下面以外の外部領域との境界面。
・熱境界面３：サセプタ２下面と外部領域との境界面。
・熱境界面４：サセプタ２側面とライナー９側面との境界面。
・熱境界面５：基板１の上面およびサセプタ２の上面とガス流路１５との境界面。
【００８７】
化学気相成長装置１０の基板１上にＧａＮ薄膜を成長させる場合においては、ガス供給機構１３から温度Ｔ＝３００［Ｋ］のガスが供給され、ガス流路１５とは逆側の面が１４２３［Ｋ］で加熱されたサセプタ２の面上を通過するので、熱境界面１〜５において熱境界条件１〜５を以下のように設定する。
［熱境界条件１］
・熱境界面１における温度Ｔ＝３００［Ｋ］で一定。
・熱境界面１における輻射率ε＝０．８
［熱境界条件２］
・熱境界面２における系外への熱伝達率ｈc＝５［Ｗｍ2／Ｋ］
・熱境界面２における系外への輻射率εw＝０．８
・熱境界面２における系外の雰囲気温度Ｔinf＝３００［Ｋ］
［熱境界条件３］
・熱境界面３において温度Ｔ＝１４２３.１５［℃］
・熱境界面３における熱輻射率ε＝０．８４
［熱境界条件４］
・熱境界面４においては、距離１０［μｍ］を熱伝導率０．３［Ｗ／ｍ・Ｋ］の熱が通過するので熱境界面４における熱抵抗ｋ-1＝３．３×１０-3［Ｋ／Ｗ］
・熱境界面４における輻射率ε＝０．８４
［熱境界条件５］
・熱境界面５における輻射率ε＝０．６５
【００８８】
化学気相成長装置１０の基板１上にＧａＮ薄膜を成長させたときを想定するシミュレーションを行うに当たっては、複数の領域に複数の反応モデルを適用した。複数の領域に複数の反応モデルを適用することについては以下のようにする。
【００８９】
図１１は、化学気相成長装置１０の構成のうち反応モデルを適用する領域を示した断面図である。
図１１に示すように、ガス流路１５の領域内に反応領域、低温成長反応領域およびＧａＮ成膜反応領域をそれぞれ設定した。これらの各領域において、それぞれ異なる反応モデルを適用する。
【００９０】
まず、ガス流路１５が占める領域のうちサセプタ２および基板１近傍の領域、サセプタ２の面上および基板１上の面上の領域であるＧａＮ成膜反応領域においては、ＧａＮ成膜反応モデルを使用した。ＧａＮ成膜反応モデルは、原料ガスの供給律速からＨ2のエッチングによる脱離律速までの過程を含む反応モデルである。
【００９１】
次に、ガス流路１５が占める領域のうち、ガス排出口１４側のライナー９近傍の領域、ガス排出口１４側のライナー９の面上の領域である低温成長反応領域には低温反応成長モデルを適用した。低温反応成長モデルは、原料ガスの分解反応によって生じた低揮発性の副産物（ＴＭＧ＋ＮＨ3，Ｇａ，ＧａＮ）由来の寄生成長と、ＴＭＧ、ＤＭＧおよびＭＭＧａからの温度依存の成長モデルとを考慮に入れた反応モデルである。
【００９２】
次に、ガス流路１５が占める領域のうち、上記以外の領域である反応領域においては、気相反応モデルとＧａＮパーティクル生成モデルを使用した。気相反応モデルは、成膜に寄与する原料ガスの分解物生成およびパーティクル生成に関するプロセスを抽出した反応モデルである。ＧａＮパーティクル生成モデルは、気相中のＧａＮパーティクルの生成と、生成したパーティクルの流れによる輸送と熱泳動による輸送を考慮した反応モデルである。
【００９３】
以上のようにして複数の領域に複数の反応モデルを適用し、上記の境界条件も併せて適用することで、化学気相成長装置１０の基板１上にＧａＮ薄膜を成長させたときを想定したシミュレーションを行った。
【００９４】
また、上述したシミュレーションとは別に、基板１の表面にＧａＮ薄膜を成長させたときのガス流路１５内の熱の移動についてさらに詳しく調べるために、サセプタ近傍の領域における熱の移動についてのシミュレーションも行った。
【００９５】
図１２は、このシミュレーションにおいて化学気相成長装置１０に設定した境界面を示す。
【００９６】
図１２に示すように、このシミュレーションにおいては、図９において設定した熱境界面とは別にサセプタ２の周辺の領域のみに熱境界面を９つ設定する。境界面は以下のように設定した。
・熱境界面Ａ：サセプタ２側面とライナー９側面の上流領域との境界面。
・熱境界面Ｂ：サセプタ２側面とライナー９側面の下流領域との境界面。
・熱境界面Ｃ：基板１側面の上流領域とサセプタ２との境界面。
・熱境界面Ｄ：基板１側面の下流領域とサセプタ２との境界面。
・熱境界面Ｅ：基板１下面とサセプタ２との境界面。
・熱境界面Ｆ：サセプタ２上面の上流領域とガス流路１５との境界面。
・熱境界面Ｇ：基板１上面とガス流路１５との境界面。
・熱境界面Ｈ：サセプタ２上面の下流領域とガス流路１５との境界面。
・熱境界面Ｉ：サセプタ２下面。
【００９７】
表３は、熱境界面Ａ〜Ｉにおける熱境界条件および熱境界面Ａ〜Ｉの面積をそれぞれ示したものである。表に示した面積はｚ方向１ｍあたりの面積である。
【００９８】
【表３】
0005470550.tif 000004
【００９９】
表３に示した熱境界条件、境界面面積を用いて、化学気相成長装置１０の熱境界面Ａ〜Ｉにおける通過熱流量を算出した。各熱境界面における通過熱流量は、熱伝導または熱対流による通過熱流量と、輻射による通過熱流量とについてそれぞれ計算を行い、化学気相成長装置３０の各熱境界面における単位時間当たりの通過熱流量である熱流束の分布を算出した。
【０１００】
＜比較例１＞
次に、比較例１として、パンケーキ型の化学気相成長装置の基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合を想定した計算シミュレーションを行った。まず、計算シミュレーションに用いた化学気相成長装置について説明する。
【０１０１】
図１３は比較例１による化学気相成長装置３０を上方から見た平面図である。比較例１においては、鉛直方向をｙ半径方向をｒ、角度方向をθと規定し、化学気相成長装置３０の中心を原点Ｏ’とする。
【０１０２】
図１３に示すように、この化学気相成長装置３０は、いわゆるパンケーキ型の化学気相成長装置であって、ＳｉＣからなる円板状のサセプタ３２の面上にＳｉからなる５枚の基板３１が互いに離れて設けられている。基板３１はサセプタ３２と同心円となる円周上に配置されている。また、サセプタ３２の面上の中心には円筒形のガス供給機構４３がサセプタ３２と同心円の位置となるように設けられている。ガス供給機構４３は、円筒形のガスノズル４３Ａとガスノズル４３Ａの周囲に設けられた複数のガス通路壁とで構成されている。この複数の流路壁はそれぞれ独立した複数のガスラインを構成し、それぞれのガスラインにはガスノズル４３Ａから原料ガスおよびキャリアガスがそれぞれ供給される。これら複数のガスラインからガス導入口４２に供給されたこれらのガスは、ガス流路４５内をｒ方向外側に向かって放射状に進み、サセプタ３２および基板３１上を通過する。このとき、サセプタ３２が回転し、さらに基板３１がサセプタ３２の回転方向とは逆側に回転することで、基板１が自公転する。サセプタ３２および基板３１の面上を通過したこれらのガスは、ガス排出口４４から外部に排出される。
【０１０３】
図１４は図１３における化学気相成長装置３０の各構成の詳細について示したものである。半径４２［ｃｍ］の円盤の中心に半径１２［ｃｍ］の同心円の開口を有する円板状のサセプタ３２上には、半径１０［ｃｍ］の基板３１が５枚設けられている。基板３１は、中心がサセプタ３２と同心円である半径２８［ｃｍ］の円周上となるようにも受けられる。また、基板３１はサセプタ３２の中心と隣り合う基板３１の中心とでそれぞれ結ばれる二辺で形成される角度が７２°となるように設けられる。サセプタ３２の開口部には半径１２［ｃｍ］のガス供給機構４３が隙間無く接合されている。ガス供給機構４３は、半径６［ｃｍ］のガスノズル４３Ａの周りに半径１２［ｃｍ］の円盤の中心に半径６［ｃｍ］の開口を有する円筒状の流路壁が隙間無く接合されている。また、サセプタ３２と互いに対向して離れて上部壁３７（図示せず）が設けられている。上部壁３７は、半径４２［ｃｍ］の円盤の中心に半径６［ｃｍ］の同心円の開口を有する円環形状である。これにより、サセプタ３２と上部壁３７とで挟まれる領域がガス流路４５となる。ガス供給機構４３から供給されたガスは、ガス流路４５を通過してガス排出口４４から外部へ排出される。
【０１０４】
図１５は図１３における化学気相成長装置３０のＣ−Ｃ’線による垂直断面を示した図である。すなわち、化学気相成長装置３０の中心Ｏ’から半径方向ｒ外側に向かう断面の構成を示している。
【０１０５】
図１５に示すように、化学気相成長装置３０は、ガス供給機構４３と、面上に基板３１が設けられたサセプタ３２と、透明石英からなる上部壁３７を有し、サセプタ３２と上部壁３７とが一定間隔をおいて互いに対向して設けられることでガス流路４５を形成している。図中のＰ−Ｐ’線はサセプタの中心Ｏ‘を通りｙ軸に垂直な線、つまり化学気相成長装置３０の中心軸である。このＰ−Ｐ’線を中心としてθ方向にサセプタ３２は回転する。ガス供給機構４３とサセプタ３２および上部壁３７とは中心軸をＰ−Ｐ’とした同心円となるように設けられ、ガス供給機構４３の頂面と上部壁３７とが、底面とサセプタ３２とがそれぞれ同一平面となるように設けられる。ガス供給機構４３は、ガスノズル４３Ａの側部に４枚の流路壁が接して設けられることで構成されている。４枚の流路壁はｙ方向には互いに離れて設けられている。ガスノズル４３Ａの具体的な形状は半径６［ｃｍ］の円を底面とした高さ３．８［ｃｍ］の円筒形状である。この円筒形のガスノズル４３Ａの側部に、上記円筒状のガス通路壁の開口側面が接することでガスノズル４３Ａに流路壁が設けられる。
【０１０６】
図１６は図１５に示した化学気相成長装置３０の破線部で囲まれた領域を拡大した図である。
図１６に示すように、ガスノズル４３の側面に、複数の円筒状のガス通路壁４３Ｂ〜４３Ｅおよび上部壁３７がｙ方向に互いに離れて設けられることによって、複数のガスライン４７Ａ〜４７Ｄが形成される。これらのガスラインは、ガスノズル４３Ａから供給される原料ガスおよびキャリアガスをｒ方向外側に導くことが可能となるように構成される。これら複数の円筒状の流路壁のうち最下部に設けられたガス通路壁４３Ｂの厚さ（ｙ方向の長さ）は０．５［ｃｍ］、それ以外のガス通路壁４３Ｃ〜Ｅの厚さは０．１［ｃｍ］である。また、上部壁３７の厚さは１［ｃｍ］である。それぞれのガスラインは、ガス通路壁４３Ｂとガス通路壁４３Ｃとによって第１のガスライン４７Ａが形成され、ガス通路壁４３Ｃとガス通路壁４３Ｄとによって第２のガスライン４７Ｂが形成される。第１ガスライン４７Ａおよび第２のガスライン４７Ｂのガス通路幅（ｙ方向の長さ）はともに０．５［ｃｍ］である。また、ガス通路壁４３Ｄとガス通路壁４３Ｅとによって第３のガスライン４７Ｃが形成され、ガス通路壁４３Ｅと上部壁３７とによって第４のガスライン４７Ｂが形成される。第３ガスライン４７Ｃおよび第４のガスライン４７Ｄのガス通路幅（ｙ方向の長さ）はともに０．７５［ｃｍ］である。
【０１０７】
ガスノズル４３Ａの側部に設けられた複数の円筒状のガス通路壁のうち、最下部に設けられたガス通路壁４３Ｂの外側端面にはサセプタ３２の開口部側面が段差無く接して設けられる。このとき、ガス通路壁４３Ｂの厚さ（ｙ方向長さ）とサセプタ３２の厚さとは０．５［ｃｍ］で同一であるので、ガス通路壁４３Ｂとサセプタ３２とは上下面ともに段差無く設けられる。
【０１０８】
サセプタ３２の上面には、基板３１を設けるための凹部が設けられている。この凹部は、具体的には半径１０［ｃｍ］、深さ０．１［ｃｍ］の円筒形の凹面である。この円筒形の凹面は、上記に示した基板３１が載置される位置に基板３１と同一の大きさで設けられる。これらの凹部には、半径１０［ｃｍ］、厚さ０．１［ｃｍ］の円盤状の基板３１が隙間無く嵌合して設けられる。
【０１０９】
上部壁３７は、ガスノズル４３Ａの側面に、上部壁３７の上面がガスノズル４３Ａの頂面と同一平面となるように設けられる。上部壁３７は透明石英からなり光透過率が高いので、サセプタ３２および基板３１を、上部壁３７を介して加熱ランプ（図示せず）などを用いて加熱することができる。上部壁３７は、上述したように、半径４２［ｃｍ］の円盤の中心に６［ｃｍ］の同心円の開口を有する円環状である。上部壁３７は、中心О'からｒ方向６［ｃｍ］以上１２［ｃｍ］以下の領域においてはガスライン４７Ｄを形成し、中心Ｏ’からｒ方向に１２［ｃｍ］よりも大きく４２［ｃｍ］以下の領域においてはガス流路４５を形成する。また、基板３１と上部壁３７とで挟まれる空間が反応部４５Ａとなり、互いに対向して設けられたサセプタ３２と上部壁３７とによって、化学気相成長装置３０の外周部に沿って形成された幅２．８［ｃｍ］の開口部がガス排出口４４となる。
【０１１０】
次に、この化学気相成長装置３０を用いて基板３１の表面にＧａＮ薄膜を成長させるシミュレーションを行った。ＧａＮ薄膜の成長シミュレーションには有限要素法を利用した。
【０１１１】
ＧａＮ薄膜の成長に用いる化学気相成長装置は、比較例１において用いた化学気相成長装置３０の構成と同様なものを使用した。
【０１１２】
図１７は、このシミュレーションにおける計算領域および計算に使用した計算格子を示す。
図１７に示すように、計算領域は、化学気相成長装置３０のｚ方向断面領域のうち中心軸Ｐ−Ｐ’を端辺とする片側領域とした。計算格子は図中に示したように設定した計算領域を約１３０００セルに格子状に区切った。
【０１１３】
このシミュレーションに使用する化学気相成長装置３０は、基板３１がＳｉ、サセプタ３２がＳｉＣおよびライナー３９が不透明な石英によってそれぞれ構成されている。各材料の、密度、熱伝導率、比熱および輻射率ならびにはガス流路４５内の流体領域における各計算条件は表１において示した実施例１における条件と同様とした。
【０１１４】
図１８は基板３１の表面にＧａＮ薄膜を成長させる場合における、化学気相成長装置３０内への原料ガスおよびキャリアガスの導入を示した断面図である。この図においては簡単のために、化学気相成長装置３０のｒ方向スケールを５分の１程度としている。
【０１１５】
図１８に示すように、それぞれのガス導入口を経て、ガス供給機構４３からガス流路４５へ原料ガスおよびキャリアガスがそれぞれ流入する。ガス導入口４２Ａ〜Ｄはそれぞれ対応するガスラインの出口面である。供給されるガスは、具体的には、ガス導入口４２ＡからはＮＨ3ガス、ガス導入口４２ＢからはＨ2とＴＭＧの混合ガス、ガス導入口４２ＣからはＨ2ガス、ガス導入口４２ＤからはＮ2ガスがそれぞれ供給される。ガス流路４５内に流入したそれぞれのガスはサセプタ３２および基板３１の表面を通過した後にガス排出口４４から外部に排出される。重力方向はガスの流れ方向と直交する方向の−ｚ方向であり、重力ｇ＝９．８［ｍ／ｓ2］で与える。また、Ｐ−Ｐ’線を回転対称軸とする。
【０１１６】
表４は、それぞれのガス導入口からガス流路４５に流入するガスの流入条件を示したものである。流入境界面は、ガス導入口４２Ａ〜Ｄとする。
【０１１７】
【表４】
0005470550.tif 000005
【０１１８】
表４に示すように、ガス導入口４２Ａからガス流路４５内へは、第１のガスライン４７Ａから供給された原料ガスであるＮＨ3ガスが流入する。ＮＨ3ガスの流速は、境界面において１．４７６［ｍ／ｓ］である。ガス導入口４２Ｂからガス流路４５内へは、第２のガスライン４７Ｂから供給されたキャリアガスであるＨ2ガスと原料ガスであるＴＭＧガスとの混合ガスが流入する。Ｈ2ガスとＴＭＧガスとの混合ガスの流速は、境界面において１．４７７［ｍ／ｓ］である。また、Ｈ2ガスとＴＭＧガスとの比率は、質量分率で、Ｈ2：ＴＭＧ＝０．９４６：０．０５４である。これにより、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料との供給比はＶ：ＩＩＩ＝１２５：１となる。また、ガス導入口４２Ｃからガス流路４５内へは、第３のガスライン４７Ｃから供給されたキャリアガスであるＨ2ガスがガス流路４５内に流入する。Ｈ2ガスの流速は境界面において１．４７６［ｍ／ｓ］である。ガス導入口１２Ｄからガス流路４５内へは、第４のガスライン４７Ｄから供給された原料ガスであるＮ2ガスがガス流路４５内に流入する。Ｎ2ガスの流速は境界面において１．４７６［ｍ／ｓ］である。それぞれのガス導入口からガス流路４５内に流入するガスの質量分率は、ＮＨ3：Ｈ2＋ＴＭＧ：Ｈ2：Ｎ2＝１：１：１：１である。また、ガス流路４５内に流入するガスの温度は全て３００［Ｋ］とした。また、ガス流路４５からの流出条件については、ガス排出口４４出口における圧力を１０００００［Ｐａ］とした。
【０１１９】
図１９は基板３１の表面にＧａＮ薄膜を成長させたときの化学気相成長装置３０における熱境界条件が適用される熱境界面１〜６を示した断面図である。この図においては簡単のために、化学気相成長装置３０のｒ方向スケールを５分の１程度としている。
【０１２０】
図１９に示すように、化学気相成長装置３０において熱境界面１Ａ〜６Ａを以下のように設定した。
・熱境界面１Ａ：ガス流入面と外部領域との境界面。
・熱境界面２Ａ：サセプタ３２下面および側面以外の外部領域との境界面。
・熱境界面３Ａ：サセプタ３２下面と外部領域との境界面。
・熱境界面４Ａ：サセプタ３２側面とライナー３９側面との境界面。
・熱境界面５Ａ：基板３１の上面およびサセプタ３２の上面とガス流路４５との境界面。
・熱境界面６Ａ：サセプタ３２の側面と外部領域との境界面。
【０１２１】
また、熱境界面１Ａ〜６Ａに熱境界条件１Ａ〜６Ａを以下のように設定した。熱境界条件１Ａ〜５Ａは実施例１の熱境界条件１〜５と同様な条件とし、熱境界面６Ａには熱境界条件６を新たに設定した。熱境界条件６は、具体的には以下のように設定した。
［熱境界条件６Ａ］
・熱境界面６Ａにおける系外への熱伝達率ｈc＝５［Ｗｍ2／Ｋ］
・熱境界面６Ａにおける系外への輻射率εw＝０．８４
・熱境界面６Ａにおける系外の雰囲気温度Ｔinf＝３００［Ｋ］
【０１２２】
これらの熱境界条件を適用すると、ガス供給機構４３から供給されるガスの流入境界面における温度は３００［Ｋ］となる。ガス流路４５に流入したガスは、流路側の面が１４２３［Ｋ］で加熱されたサセプタ３２の面上を通過する。ガス流路４５を通過したガスは、ガス排出口４４から温度Ｔ＝３００［Ｋ］の外部領域に排出される。各面における熱流束を算出する場合においては、各面における熱輻射率、熱通過による熱損失も考慮する。
【０１２３】
化学気相成長装置３０の基板３１上にＧａＮ薄膜を成長させたときを想定するシミュレーションを行うに当たっては、複数の領域に複数の反応モデルを適用した。複数の領域に複数の反応モデルを適用することについては以下のようにする。
【０１２４】
図２０は、化学気相成長装置３０の構成のうち反応モデルを適用する領域を示した断面図である。
図２０に示すように、ガス流路４５の領域内に反応領域、低温成長反応領域およびＧａＮ成膜反応領域をそれぞれ設定した。これらの各領域において、それぞれ異なる反応モデルを適用する。
【０１２５】
まず、ガス流路４５が占める領域のうちサセプタ３２および基板３１近傍の領域ならびにサセプタ３２の面上および基板３１上の面上の領域であるＧａＮ成膜反応領域においては、実施例１と同様のＧａＮ成膜反応モデルを使用した。
【０１２６】
次に、ガス流路４５が占める領域のうち、上部壁近傍の領域および上部壁の面上の領域である低温成長反応領域には、実施例１と同様の低温反応成長モデルを適用した。
【０１２７】
次に、ガス流路４５が占める領域のうち、上記以外の領域である反応領域においては、実施例１と同様の気相反応モデルとＧａＮパーティクル生成モデルを使用した。
【０１２８】
以上のようにして複数の領域に複数の反応モデルを適用し、上記の境界条件も併せて適用することで、化学気相成長装置３０の基板３１上にＧａＮ薄膜を成長させたときを想定したシミュレーションを行った。
【０１２９】
また、上述したシミュレーションとは別に、基板３１の表面にＧａＮ薄膜を成長させたときのガス流路４５内の熱の移動についてさらに詳しく調べるために、サセプタ近傍の領域における熱の移動についてのシミュレーションも行った。
【０１３０】
図２１は、このシミュレーションにおいて化学気相成長装置１０に設定した境界面を示す。
【０１３１】
図２１に示すように、このシミュレーションにおいては、図１９において設定した熱境界面とは別にサセプタ２の周辺の領域のみに熱境界面を９つ設定する。境界面は以下のように設定した。
・熱境界面Ａ１：サセプタ３２側面とガス通路壁４３Ｂ側面との境界面。
・熱境界面Ｂ１：基板３１側面の上流領域とサセプタ３２との境界面。
・熱境界面Ｃ１：基板３１側面の下流領域とサセプタ３２との境界面。
・熱境界面Ｄ１：基板３１下面とサセプタ３２との境界面。
・熱境界面Ｅ１：サセプタ３２上面の上流領域とガス流路４５との境界面。
・熱境界面Ｆ１：サセプタ３２上面の上流領域とガス流路４５との境界面。
・熱境界面Ｇ１：サセプタ３２上面の下流領域とガス流路４５との境界面。
・熱境界面Ｈ１：サセプタ３２側面と外部領域との境界面。
・熱境界面Ｉ１：サセプタ２下面と外部領域との境界面。
【０１３２】
表５は、熱境界面Ａ１〜Ｉ１における熱境界条件および熱境界面Ａ１〜Ｉ１の面積をそれぞれ示したものである。表５に示した面積はθ方向の１[ｒａｄ]あたりの面積である。
【０１３３】
【表５】
0005470550.tif 000006
【０１３４】
表５に示した熱境界条件および面積を用いて、化学気相成長装置３０の熱境界面Ａ１〜Ｉ１におけるｚ方向単位長さあたりの通過熱流量を算出した。算出した通過熱流量をもとに、化学気相成長装置３０の各熱境界面における単位時間当たりの通過熱流量である熱流束の分布を算出した。
【０１３５】
次に、実施例１と比較例１とにおいて行ったＧａＮ薄膜の成長シミュレーションの計算結果の各値について比較を行った。まず、ＧａＮ成膜反応領域における温度分布の比較を行った。
【０１３６】
図２２は、実施例１における化学気相成長装置１０の基板１にＧａＮ薄膜を成長させた場合におけるＧａＮ成膜反応領域における温度分布の計算結果を示す略線図である。横軸の流れ方向距離ｘの原点はガス供給機構１３のｘ方向端面とした。
【０１３７】
図２３は、比較例１における化学気相成長装置３０の基板３１にＧａＮ薄膜を成長させた場合におけるＧａＮ成膜反応領域における温度分布を示す略線図である。横軸の流れ方向距離ｒの原点はガスノズル４３Ａの側面とした。実施例１、比較例１において基板１枚に与えられる熱量は同一である。
【０１３８】
図２２に示すように、基板１が載置されている領域である流れ方向距離ｘが１３．５［ｃｍ］以上３６．５［ｃｍ］の領域においては、ＧａＮ成膜反応領域の温度分布は１４２０［Ｋ］前後で維持されている。一方で、図２３に示すように、化学気相成長装置３０のＧａＮ成膜領域のうち、基板３１が載置されている領域である流れ方向距離ｒが１２［ｃｍ］以上３２［ｃｍ］の領域の温度分布は１４１５［Ｋ］前後で維持されている。この結果により、実施例１の方が比較例１よりも基板１枚当たりの熱効率が高いことが示された。
【０１３９】
次に、基板にＧａＮ薄膜を成膜する際のエネルギー効率について、さらに詳しく考察するために、実施例１と比較例１とのＧａＮ成膜反応領域における通過熱流量を比較した。
【０１４０】
表６は、実施例１において算出した化学気相成長装置１０の各熱境界面のｚ方向１ｍ当たりの通過熱流量を示す。通過熱流量は、熱伝導または熱対流による通過熱流量ｑ1と輻射による通過熱流量ｑ2とに分けてそれぞれ示した。
表７は、比較例１において算出した化学気相成長装置３０の各熱境界面のθ方向１ｒａｄ当たりの通過熱流量を示す。通過熱流量は、熱伝導または熱対流による通過熱流量ｑ3と輻射による通過熱流量ｑ4とに分けてそれぞれ示した。
【０１４１】
【表６】
0005470550.tif 000007
【０１４２】
【表７】
0005470550.tif 000008
【０１４３】
実施例１の各熱境界面における通過熱流量のうち、加熱面である熱境界面Ｉにおける通過熱流量について特に注目すると、表６に示すように、ｚ方向１ｍあたりの通過熱流量は９３４７．５Ｗである。実際の化学気相成長装置１０におけるサセプタの奥行き、すなわちｚ方向長さは０．３ｍ程度であるので、実際の化学気相成長装置１０で基板１上にＧａＮ薄膜を成長させる場合における熱境界面Ｉにおける通過熱流量は９３４７．５×０．３＝２８０４．１Ｗとなる。また、サセプタ上には基板が１枚載置されているのみであるので基板１枚当たりの通過熱流量も２８０４．１Ｗとなる。これは、基板１にＧａＮ薄膜を成長させる場合、基板１枚あたりに必要な投入エネルギーが２．８ｋＷであることを示している。
【０１４４】
一方、比較例１の各熱境界面における通過熱流量のうち、熱境界面Ｉ１における通過熱流量は、表７に示すように、１ｒａｄあたり８７１０．３Ｗである。実際の化学気相成長装置３０はサセプタが円形のパンケーキ型であるのでθ方向は２πである。そうすると、化学気相成長装置３０で基板３１上にＧａＮ薄膜を成長させる場合における熱境界面Ｉ１における基板１枚あたりの通過熱流量は８７１０．３×２π／５＝５２４７８Ｗとなる。また、サセプタ上には基板が５枚載置されているので基板１枚当たりの通過熱流量は５２４７８／５＝１０９４５．６Ｗとなる。これは、基板３１にＧａＮ薄膜を成長させる場合、基板１枚あたりに必要な投入エネルギーが１０．９５ｋＷであることを示している。
【０１４５】
図２４は、実施例１の化学気相成長装置１０において設定した熱境界面Ｆ−Ｇ−Ｈにおける熱流束分布を示す略線図である。また、図２５は、比較例１の化学気相成長装置３０において設定した熱境界面Ｆ１−Ｇ１−Ｈ１における熱流束分布を示す略線図である。熱流束分布は、熱伝導または熱対流による熱流束分布と輻射による熱流束分布に分けて示した。
【０１４６】
図２４および図２５に示すように、比較例１の輻射によって外部へ移動する熱量が実施例１に対して非常に大きいことが分かる。さらに、実施例１と比較例１の基板１枚あたりに必要な投入エネルギーを比較すると、実施例１に対して比較例１が４倍近くのエネルギーを要する結果となった。
【０１４７】
このように、鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置１０で基板上にＧａＮ薄膜を成膜すると、パンケーキ型の化学気相成長装置３０で基板上にＧａＮ薄膜を成膜する場合と比較して、消費エネルギーが１／４程度に抑えられることが示された。化学気相成長装置１０は鉛直対向型基板載置方式であるため、加熱方式が対向式となるからであると考えられる。対向式の加熱方式においては、一方の基板から放射した光は対向するもう一方の基板を加熱し、対向する基板からは放射光を受け取る。一方で、加熱方式が対向式でないと基板から放射された光は外部へと放出され、放射光を有効に利用することができない。このように、互いに対向する基板から放射される輻射エネルギーが有効に利用される結果、エネルギー効率が向上すると考えられる。
【０１４８】
次に、ＧａＮ成膜反応領域および低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度の比較を行った。
【０１４９】
図２６は実施例１の化学気相成長装置１０においてＧａＮ薄膜を成長させた場合の、ＧａＮ成膜反応領域および低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。また、図２７は比較例１の化学気相成長装置３０においてＧａＮ薄膜を成長させた場合におけるＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。また、図２８は比較例１においてＧａＮ薄膜を成長させた場合における低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。図２６〜２８においては、反応面における温度分布も併せて示した。
【０１５０】
図２６に示すように、実施例１のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布は、基板１のウエハ端においては高い成長速度分布を示し、基板１の中心においては低い成長速度分布を示すことが明らかとなった。反応面における温度がほぼ一定であるのに、成長速度にこのような分布が現れたのは、ガス流路１５内においてＧａＮのパーティクルが生成することによる原料の枯渇が影響していると考えられる。また、流れ方向距離ｘが０．３５［ｍ］以降の低温成長反応領域では、温度が低下するにつれて、ＧａＮ薄膜の成長速度が減少する傾向を示した。
【０１５１】
一方で、図２７に示すように、比較例１のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布は、基板３１のウエハ端においては低い成長速度分布を示し、基板３１の中心においては高い成長速度分布を示すことが明らかとなった。成長速度にこのような分布が現れたのは、上流領域における落ち込みについては、原料ガスが十分に分布していないことが挙げられ、下流領域における落ち込みについては、成膜とＧａＮパーティクル生成とによる原料の枯渇が影響していると考えられる。また、図２８に示すように、化学気相成長装置３０の低温成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布は、下流に向かうに従い成長速度が上昇することが示された。これは、ＴＭＧとＮＨ3からの温度依存性の反応によってＧａＮが上部壁３７に付着成長するものと考えられる。
【０１５２】
次に、実施例１および比較例１において算出した２次元反応面であるＧａＮ成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布の結果をもとに、基板反応面を自転させた場合のＧａＮ成長反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を算出する。ＧａＮ成長反応領域の基板反応面におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布の算出には以下に示す計算モデルを適用する。
【０１５３】
図２９ＡはＸＹ平面上に基板反応面を仮定したときの二次元計算モデルにおける成長速度分布を示す略線図および基板反応面を示す断面図、図２９Ｂは基板反応面を示す平面図である。図中の破線は、図２９Ａの略線図、断面図および図２９Ｂの平面図との位置関係をそれぞれ示したものである。
【０１５４】
二次元モデルにおいては、図２９Ａに示すようにＸ軸上のみにおいて成長速度（G.R.）が得られる。しかしながら、実際の基板反応面は、図２９Ｂに示すようにＸＹ平面上に広がりを持った円形をしている。さらに、基板反応面は自転しているので、自転による時間平均を考慮すると、半径ｒの円周上の点Ｐにおける時間平均の成長速度G.R.ave(r)［μｍ／ｈ］は以下に示す式（１）で求めることができる。
【０１５５】
【数１】
0005470550.tif 000009
【０１５６】
ここで、二次元軸対称モデルにおいては、図２９Ｂに示すようにG.R.(r,t)は、半径ｒの円周上の点Ｐ（ｔ）までの距離ＯＰをｘ軸方向にとった位置ｘtの成長速度で表される。このとき、位置ｘtは以下に示す式（２）で求めることができる。
【０１５７】
【数２】
0005470550.tif 000010
【０１５８】
また式（１）より、G.R.(r,t)は以下に示す式（３）で与えられる。
【数３】
0005470550.tif 000011
【０１５９】
式（１）〜（３）においては、ωは基板の回転速度［°／ｓ］、ｔは時刻［ｓ］とする。また、計算における径方向の刻み幅は２［ｍｍ］、時間刻み０．５［ｓ］および基板の回転速度を３．５［ｒｐｍ］とした。以上のようにして、実施例１および比較例１にこのモデルを適用して半径ｒにおける平均成長速度の計算を行った。
【０１６０】
次に、この二次元軸対称モデルにおいて、原料使用効率を求める。原料使用効率は、上記において算出する半径ｒにおける平均成長速度から算出することができる。具体的には、Ｇａの供給量に対する基板表面全体におけるＧａＮ付着量を求める。
【０１６１】
ここで、実施例１における化学気相成長装置１０へのＧａの供給量を１．１１５×１０-8［ｋｍｏｌ／ｓ］、比較例１における化学気相成長装置３０へのＧａの供給量を１．１１５×１０-7［ｋｍｏｌ／ｓ］とする。そうすると、基板１枚当たりのＧａの供給量は、実施例１においては１．１１５×１０-8［ｋｍｏｌ／ｓ］となり、比較例１においては、１．１１５×１０-7／５＝２．２３１×１０-7［ｋｍｏｌ／ｓ］となる。
【０１６２】
次に、基板表面におけるＧａＮの付着量を求める。
図３０は基板反応面におけるＧａＮの付着量を求めるための計算モデルを示す平面図である。基板反応面は基板のガス流路側の全表面とする。
【０１６３】
図３０に示すように、基板表面をｒ方向に等分割し、上記において算出した半径ｒにおける平均成長速度G.R.ave(r)を各分割点（ｉ＝０，１，…,ｎ）に適用し半径ｒiにおける平均成長速度G.R.ave(ri)を算出する。この半径ｒiにおける平均成長速度G.R.ave(ri)から、半径ｒiにおける基板表面の単位面積、単位時間当たりのＧａＮの付着量Ｆiを算出することができる。ＧａＮの付着量Ｆiは以下に示す式（４）で算出することができる。
【０１６４】
【数４】
0005470550.tif 000012
【０１６５】
式（４）において、ρはＧａＮ膜の密度、ＭはＧａＮ膜の分子量である。ここで、式（４）において、ρ＝６１５０［ｋｇ／ｍ2］、Ｍ＝８３．７３［ｇ／ｍｏｌ］する。式（４）で算出されたＧａＮの付着量Ｆiを、図３０に示すような半径毎に区切られた領域に順次適用し、基板表面全体におけるＧａＮの付着量Total_depoを算出した。基板表面全体におけるＧａＮの付着量Total_depoは以下に示す式（５）で算出することができる。
【０１６６】
【数５】
0005470550.tif 000013
式（５）において、delta_rは半径方向の刻み幅［ｍ］である。
【０１６７】
図３１は、実施例１の化学気相成長装置１０において自転する基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合の、ＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。図３２は、比較例１の化学気相成長装置３０において自転する基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布を示す略線図である。また、比較にために、回転しない基板上にＧａＮ薄膜を成長させた場合のＧａＮ成膜反応領域におけるＧａＮ薄膜の成長速度分布も併せてそれぞれの図において示した。
【０１６８】
図３１に示すように、実施例１の基板自転時におけるＧａＮ膜の成長速度の平均値は１．３２［μｍ／ｈ］となる。また、図３２に示すように、比較例１の基板自転時におけるＧａＮ膜の成長速度の平均値は１．１７［μｍ／ｈ］となる。実施例１のＧａＮ膜の成長速度が比較例１に対して著しい向上が無かったのは、ガス流路内に生成するパーティクル密度が高かったためであると考えられ、これは、ガスの供給条件、化学気相成長装置１０の形状の最適化によって改善できると考えられる。
【０１６９】
次に、得られた各例のＧａＮ膜の成長速度分布をもとに実施例１と比較例１の原料使用効率についてそれぞれ計算し、計算結果を比較した。そうすると、実施例１の原料使用効率は１７．１％であるのに対し、比較例１の原料使用効率は６．６％となった。このように、化学気相成長装置で基板上にＧａＮ薄膜を成長する場合においては、パンケーキ型の化学気相成長装置に対して鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置が２．６倍という高い原料使用効率を示すことが明らかとなった。
【０１７０】
基板表面へのＧａＮの堆積効率が比較例１よりも実施例１が大幅に高くなった理由としては、比較例１において上部壁など壁面に無効に堆積していたＧａＮが、実施例１においては、互い対向する流路壁面にそれぞれ設けられた基板に有効に堆積したからであると考えられる。
【０１７１】
また、実施例１の基板表面に成膜されるＧａＮ薄膜は、比較例１の基板表面に形成されるＧａＮ薄膜よりも表面欠陥が少なくすることができる。これは、比較例１は基板の薄膜成長面が重力および熱対流の方向に対して直交しているのに対し、実施例１においては基板の薄膜成長面が重力および熱対流の方向が基板に対してほぼ平行になっていることが挙げられる。このことにより、比較例１よりも実施例１において基板上ＧａＮ薄膜を成膜する方が、基板表面へのパーティクル汚染を少なくすることができ、表面欠陥の少ないＧａＮ薄膜を成膜することができる。
【０１７２】
以上のように、第１の実施の形態による化学気相成長装置１０によれば、基板表面が重力および熱対流の方向が基板に対してほぼ平行になっているので、基板表面に成膜されるＧａＮ薄膜は、従来のパンケーキ型の化学気相成長装置によって基板表面に形成されるＧａＮ薄膜よりも表面欠陥が少なくすることができる。また、サセプタの下面を所定の温度に加熱するときにおいては、サセプタの加熱方式が対向式となるので、従来のパンケーキ型の化学気相成長装置よりもＧａＮ成膜時における熱損失が少なく、サセプタに与えるエネルギーを小さくすることができる。また、化学気相成長装置１０は、基板上にＧａＮ薄膜を成膜する場合においては従来のパンケーキ型の化学気相成長装置に対して２．６倍という高い原料使用効率で成膜することができる。このように、この化学気相成長装置１０によってＧａＮ薄膜を成膜すると、従来の化学気相成長装置で成膜する場合と比較して、大幅に低エネルギー低コストで効率よく成膜することができるので、ＧａＮウエハを従来と比較して大幅に低コストに生産することが可能となる。
【０１７３】
＜２．第２の実施の形態＞
【０１７４】
図３３は、第２の実施の形態による化学気相成長装置１０の構成を示した断面図である。図３３に示すように、この化学気相成長装置１０は、第１の実施の形態の化学気相成長装置１０と同様な構成を有し、ライナー９と包囲体１１とからなる外筐部１８と、外筐部１８に互いに対向して設けられたそれ以外の構成からなる本体部１９とが分離可能に構成されている。
【０１７５】
図３４ＡおよびＢは、ライナー９の一例を示す斜視図である。図３４Ａに示すように、ライナー９は一体型であって４面からなる断面が矩形の筒型の形状を有している。ライナー９は、中間領域９Ｂは、ガス導入口１２からガス排出口１４に向かって断面積が小さくなるようなテーパー形状を有することで全体として漏斗状の形状を有している。中間領域９Ｂにおける断面積は１［ｃｍ］あたり３％以上１０％以下減少することが好ましく、４％以上８％以下減少することが好ましい。中間領域９Ｂにおける任意の断面はガス導入口１２と相似形であることが好ましい。また、ガス導入口１２とガス排出口１４との開口面積比は、ガス導入口面積／ガス排出口面積の値が４以上３０以下であることが好ましく、６以上１０以下であることがより好ましい。また、中間領域９Ｂの互いに対向する主面には開口部９Ａがそれぞれ設けられている。また、図３４Ｂに示すように、ライナー９の主面に本体部１９が直接装着できるようなリブを設けた形態としてもよい。これによって、外筐部１８をライナー９のみで構成することもできる。
【０１７６】
図３５は、図３４Ａのライナーを使用した化学気相成長装置１０の互いに対向して設けられた本体部１９のうちの一方が取り外された部分から見た平面図である。もう一方の本体部１９の一部の構成は図中破線で示している。
【０１７７】
図３５に示すように、外筐部１８は、包囲体１１とライナー９とからなり、ライナー９はライナー保持部２０によって包囲体１１に固定されている。ライナー９にはサセプタ２が装着される開口部９Ａが設けられている。外筐部１８に設けられている本体部１９は、ライナー９に設けられ開口９Ａにサセプタ２が隙間なく嵌合している。サセプタ２は、サセプタ支持台３の外周に設けられたギア部３ｇとサセプタ回転ギア４Ｃとが噛み合うことにより、サセプタ回転ギア４Ｃからの回転力をサセプタ支持台３に伝達することができる。また、保持壁６にはサセプタ支持ホイール５が設けられている。このサセプタ支持ホイール５は複数設けられ、ギア部３ｇにサセプタ支持ホイール５を噛み合わせることでサセプタ支持台３を保持壁６に保持している。ガス供給機構１３から供給された原料ガスは、回転するサセプタ２に載置された基板１の表面を通過した後にガス排出口１４から排出される。
【０１７８】
図３６は、化学気相成長装置１０における基板１の脱着時の一例を示した断面図である。
【０１７９】
図３６に示すように、反応室１５Ａ内の基板１を搬出する場合にあっては、必要に応じて外筐部１８と本体部１９とを連結固定している脱着機構を解除した後に、外筐部１８から本体部１９を分離する。分離された本体部１９は、外部駆動機構によって本体部１９の背面側へ引き出される。分離し引き出された本体部１９は、本体部１９の背面側に１／４回転（９０°回転）する。１／４回転することでサセプタ２はほぼ水平となり、サセプタ２上に載置されている基板１を容易に脱着することが可能となる。基板１の脱着方法については基本的には限定されなく、従来公知の方法を用いることができるが、例えば真空ピンセット、ハンドリングロボットなどを用いて、基板１を吸い上げて取り出すことができる。
【０１８０】
筐体部と本体部とをそれぞれ連結固定する連結機構は、筐体部と本体部とを簡易に着脱することが可能な機構であれば基本的にはどのようなものであってもよく、具体的には、例えば、機械連結機構、磁気連結機構などであって、機械連結機構であれば、嵌合式連結機構、ねじ式連結機構など挙げられ、磁気連結機構であれば、電磁石、永久磁石および磁性体のいずれかを組み合わせた連結機構などが挙げられるが、連結機構はこれらのものに限定されるものではない。
【０１８１】
この例によれば、従来困難であった鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置１０における反応室１５Ａへの基板１の載置および排出を簡易に行うことができる。また、反応室１５Ａ、ガス流路１５などのメンテナンスも従来と比較して簡易に行うことができる。また、ガス流路１５にガス供給機構１３およびガス排出機構を設ける場合にあっては、基板１をガス導入口１２から上方に取り出さないので、ガス供給機構１３およびガス排出機構をガス流路１５に固定した状態で基板１の脱着を行うことができる。
【０１８２】
化学気相成長装置１０における基板１の脱着時における他の例としては、本体部１９が外筐部１８に回転軸によって連結された状態で本体部１９を回転することで行う方法が挙げられる。具体的には、例えば、反応室１５Ａ内の基板１を外部に搬出する場合にあっては、必要に応じて外筐部１８と本体部１９とを連結固定している脱着機構を解除した後に、回転軸を回転させ、本体部１９を外筐部１８に備えられた扉のように動作させることで、サセプタ２の上部空間を開放することができる。さらに、必要に応じて、回転軸を任意の角度に回転させ、サセプタ２を略水平とすることでサセプタ２上に載置された基板１を分離し外部へ搬送することができる。この例によれば、外筐部１８と本体部１９とが完全に分離しないので、基板１の搬入および搬出を最小限のスペースで行うことができる。また、外筐部１８と本体部１９との分離を化学気相成長装置１０に備えられた回転軸を回転することによって行うので、本体部１９を引き出すための外部駆動機構を必要とせず、化学気相成長装置１０のみで基板１の脱着をすることができる。
【０１８３】
また、化学気相成長装置１０は、気密保持壁を保持壁６のみで構成し、ランプユニット８、サセプタ回転機構４およびギア部３ｇを廃した構成とすることもできる。
【０１８４】
以上のように、第２の実施の形態による化学気相成長装置１０によれば、第１の実施の形態による化学気相成長装置１０と同様な利点を有するとともに、鉛直対向型基板載置方式の化学気相成長装置を外筐部に対向して備えられた本体部で構成し、外筐部から本体部を脱着可能としたので、本体部を水平にすることで反応室への基板の載置および排出を簡易に行うことができる。また、反応室、ガス流路などのメンテナンスも従来と比較して簡易に行うことができる。また、ガス流路にガス供給機構などを設ける場合にあっては、基板をガス導入口から上方に取り出さないので、ガス供給機構などをガス流路に固定した状態で基板の脱着を行うことができる。
【０１８５】
以上、実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本開示の技術思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いても良い。
【符号の説明】
【０１８６】
１…基板、２…サセプタ、３…サセプタ支持台、４…サセプタ回転機構、５…サセプタ支持ホイール、６…保持部、７…光透過板、８…ランプユニット、９…ライナー、１０…化学気相成長装置、１１…包囲体、１２…ガス導入口、１３…ガス供給機構、１４…ガス排出口、１５…ガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図８】
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【図１７】
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