(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状のノズル本体に設けた多数のノズル孔を通して原料ガスと酸化ガスを均一に分配する薄膜気相成長装置に用いるガス噴射ヘッドであって、
前記ノズル孔は平板状のノズル本体の平面に対して直角に噴射ガス流を形成するノズル孔であって、前記各ノズル孔は前段ノズル孔と後段ノズル孔の２段に分かれ、該前段ノズル孔と後段ノズル孔の間に該後段ノズル孔の外周に開口する空隙を設け、該空隙を介して前記前段ノズル孔に流入するガスとは別のガスが流入するように構成したことを特徴とするガス噴射ヘッド。
【請求項２】
前記空隙は前記後段ノズル孔の外周の少なくとも一部に開口することを特徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘッド。
【請求項３】
前記後段ノズル孔がディフューザ形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス噴射ヘッド。
【請求項４】
前記空隙が前記ノズル本体の外周部かその内側の少なくとも一部に設けたガス流路から分配されたガス流路に連通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のガス噴射ヘッド。
【請求項５】
前記前段ノズル孔及び前記空隙の各ガスが通過する部分で断面積が最小となる部分の断面積Ｆc（ｍ2）が次式を満足するように設定し、ガス流にチョーク現象を発生させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のガス噴射ヘッド。
Ｆc≦ｍc／〔{2/(k+1)}1/(k-1){k/(k+1)}1/2{2(p1/v1)}1/2〕
但し  ｍｃ：ノズル孔１個当りの質量流量（ｋｇ／ｓ）
ｋ：比熱比（ガスにより一定）
ｐ1：ノズル孔のガス入口側のガス圧力（ｐａ）
ｖ1：ノズル孔のガス入口側のガス比容積（ｍ3／ｋｇ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜気相成長装置に用いるガス噴射ヘッドに関し、特に原料ガスと酸化ガスの混合が好適なタイミングで行なわれ、且つ均一に分配することができるガス噴射ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
薄膜気相成長装置としては成膜室（反応室）内に、ガス噴射ヘッドのノズルから原料ガス及び酸化ガス又は原料ガスと酸化ガスの混合ガスを噴射し、該成膜室に配置した基板上に成膜を行なうものがあるが、この原料ガスと酸化ガスの混合位置（混合タイミング）によって、下記のような問題がある。
【０００３】
（１）原料ガスと酸化ガスの混合が早すぎる場合、例えばガス噴射ヘッドの十分手前（上流側）で混合が行なわれた場合、原料ガスがガス噴射ヘッドの手前で反応し、この反応物質がガス噴射ヘッドの壁面に付着し、パーティクル発生の原因となる。また、混合したガスがガス噴射ヘッドの手前で反応し、噴射された混合ガスの成膜能力が低下する。
【０００４】
（２）また、原料ガスと酸化ガスの混合が遅すぎる場合、例えばガス噴射ヘッドの後流側で行なわれた場合、成膜室に配置された基板までの距離が短か過ぎて原料ガスと酸化ガスの混合が未完成のままとなる場合がある。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点を除去し、原料ガスと酸化ガスの混合を好適なタイミングで行い、且つ混合を効率よく行うことのできるガス噴射ヘッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、平板状のノズル本体に設けた多数のノズル孔を通して原料ガスと酸化ガスを均一に分配する薄膜気相成長装置に用いるガス噴射ヘッドであって、ノズル孔は平板状のノズル本体の平面に対して直角に噴射ガス流を形成するノズル孔であって、各ノズル孔は前段ノズル孔と後段ノズル孔の２段に分かれ、該前段ノズル孔と後段ノズル孔の間に該後段ノズル孔の外周に開口する空隙を設け、該空隙を介して前記前段ノズル孔に流入するガスとは別のガスが流入するように構成したことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス噴射ヘッドにおいて、前記空隙は前記後段ノズル孔の外周の少なくとも一部に開口することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のガス噴射ヘッドにおいて、後段ノズル孔がディフューザ形状を有していることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１に記載のガス噴射ヘッドにおいて、前記空隙が前記ノズル本体の外周部かその内側の少なくとも一部に設けたガス流路から分配されたガス流路に連通していることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１に記載のガス噴射ヘッドにおいて、前記前段ノズル孔及び前記空隙の各ガスが通過する部分で断面積が最小となる部分の断面積Ｆc（ｍ2）が次式を満足するように設定し、ガス流にチョーク現象を発生させることを特徴とする。
Ｆc≦ｍc／〔{2/(k+1)}1/(k-1){k/(k+1)}1/2{2(p1/v1)}1/2〕
但し  ｍc：ノズル孔１個当りの質量流量（ｋｇ／ｓ）
ｋ：比熱比（ガスにより一定）
ｐ1：ノズル孔のガス入口側のガス圧力（ｐａ）
ｖ1：ノズル孔のガス入口側のガス比容積（ｍ3／ｋｇ）
ここで比熱比とはガスの体積一定の場合の比熱（低容比熱）ｃvと圧力一定の場合の比熱（低圧比熱）ｃpの比（ｃv／ｃp）でありガスにより一定での値である。また、ガス比容積とはガスの単位質量当りの体積を示すものであり、ノズル孔のガス入口側のガス比容積とはノズル孔のガス入口側のガス単位質量当りの体積を示す。
【００１１】
また、請求項１乃至５のいずれか１に記載のガス噴射ヘッドにおいて、前記別のガスが酸化ガス（例えばＯ2，Ｏ3，Ｎ2Ｏなど）であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図３は本発明に係るガス噴射ヘッドの構造を示す図で、図１はノズル本体の一部平面図、図２はノズル部の拡大図、図３はガス噴射ヘッドの一部断面側面図である。
【００１３】
図１（ａ）はノズル本体の半分を示す平面図で、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面矢視図である。図示するように、本ガス噴射ヘッドのノズル本体１０は、板状の後段ノズル部材１１と前段ノズル部材１２からなり、後段ノズル部材１１には多数の後段ノズル孔１１−１が設けられて、前段ノズル部材１２には多数の前段ノズル孔１２−１が設けられている。
【００１４】
ノズル本体１０の外周部で、後段ノズル部材１１と前段ノズル部材１２の間にはガス流路１３が形成されている。また、後段ノズル部材１１には該ガス流路１３に連通したガス流路１４が縦横等間隔で格子状に形成されている。後段ノズル部材１１のノズル孔１１−１はガス流路１４とガス流路１４に囲まれた突起部の中央部に設けられ、前段ノズル部材１２の前段ノズル孔１２−１は後段ノズル孔１１−１に対応する位置（真上）に設けられる。
【００１５】
後段ノズル部材１１と前段ノズル部材１２は互いにその外周部で一体に接合されている。また、後段ノズル部材１１と前段ノズル部材１２の間には所定寸法の空隙１５が形成されている。あるいは何箇所かの溝で連通している。また、前段ノズル部材１２には前記ガス流路１３に連通するガス供給孔１６が所定の間隔で設けられている。
【００１６】
本ガス噴射ヘッドは図３に示すように、外筒２１と内筒２２からなる二重構造のガス供給ヘッド２０の下端に前記ノズル本体１０の前段ノズル部材１２を接合した構造である。前記ガス流路１３はガス供給孔１６を通して外筒２１と内筒２２の間の室２３に連通し、前段ノズル孔１２−１は直接内筒２２内の室２４に開口している。
【００１７】
上記構造のガス噴射ヘッドにおいて、外筒２１と内筒２２の間の室２３に酸化ガスＧ１を供給し、内筒２２の内側の室２４に原料ガスＧ２を供給すると、酸化ガスＧ１は室２３からガス供給孔１６を通って、外周部のガス流路１３に流れ込み、更に該ガス流路１３から格子状に配列された多数のガス流路１４を通って、ノズル本体１０の中央部へと流れ込む。
【００１８】
一方、室２４に供給された原料ガスＧ２は前段ノズル部材１２に設けられた、多数の前段ノズル孔１２−１を通って後段ノズル部材１１と前段ノズル部材１２の間の空隙１５に流れ込み、ここで、ガス流路１４を通って空隙１５に流れ込んだ酸化ガスと一緒に後段ノズル部材１１の後段ノズル孔１１−１に流れ込み、ここで両ガスは混合され、後段ノズル孔１１−１のディフューザ部１１−１ａを通って、成膜室（反応室）（図示せず）に噴射される。
【００１９】
図２は後段ノズル部材１１の後段ノズル孔１１−１と前段ノズル部材１２の前段ノズル孔１２−１の拡大図である。図示するように、後段ノズル孔１１−１はその上端が拡張された円錐状の入口部１１−１ｂとなっており、下端も拡張された円錐状のディフューザ部１１−１ａとなっている。
【００２０】
上記構造のノズル部において、外筒２１と内筒２２の間の室２３からの酸化ガスＧ１は、ガス供給孔１６、ガス流路１３及びガス流路１４を通って酸化ガスｇ１の流れとなって後段ノズル孔１１−１の上端入口部１１−１ｂの外周から流れ込む。即ち、入口部１１−１ｂの外周上部の空隙１５は酸化ガスのガス流入部（中間ガス流入部）を構成する。これと同時に内筒２２内の室２４からの原料ガスＧ２は前段ノズル孔１２−１を通って原料ガスｇ２の流れとなって後段ノズル孔１１−１の上端入口部１１−１ｂに流れ込む。そして両ガスは後段ノズル孔１１−１を通る間に混合され、円錐状のディフューザ部１１−１ａから成膜室（図示せず）に放出される。
【００２１】
上記のように酸化ガスｇ１は後段ノズル孔１１−１の上端入口部１１−１ｂの外周から流れ込むため、原料ガスと効率良く混合される。入口部１１−１ｂの外周の空隙１５から流れこむ酸化ガスｇ１のガス通過最小断面積（ガス通過が通過する部分でその断面積が最小となる部分の断面積）Ａ３を小さくし酸化ガスｇ１の圧力を高めに設定しておけば、原料ガスｇ２の酸化ガスｇ１の流入側への混入を避けることができる。即ち、図４に示すように上記ガス通過最小断面積Ａ３は、外周全体からガスを流入させる構造の場合、後段ノズル孔１１−１の入口部１１−１ｂの外周長さ（２πｒ）（ｒは入口部１１−１ｂの半径）に空隙１５の寸法（Δｔ）を乗じてもとめられるが（Ａ３＝２πｒ×Δｔ）、例えば空隙１５の寸法（Δｔ）を小さくするか或いは入口部１１−１ｂの外周上部の一部に空隙１５が開口することでガス通過最小断面積Ａ３を後段ノズル孔１１−１のガス通過最小断面積Ａ２より十分小さくすることによって酸化ガスｇ１の圧力を高めに設定しておけば、原料ガスｇ２の酸化ガスｇ１の流入側への混入を避けることができる。
【００２２】
また、原料ガスｇ２の均一分配のため前段ノズル孔１２−１のガス通過最小断面積Ａ１を後段ノズル孔１１−１のガス通過最小断面積Ａ２より十分小さくし、更に後段ノズル孔１１−１のガス通過最小断面積Ａ２は前段ノズル孔１２−１のガス通過最小断面積Ａ１＋中間ガス流入部のガス通過最小断面積Ａ３の合算値より十分大きくとれば、酸化ガスｇ１のノズル本体１０の一次側（室２４）への混入は防止できる。即ちＡ３＜Ａ２、Ａ１＜Ａ２、Ａ１＋Ａ３＜Ａ２と設定すればよい。但し、原料ガスｇ２と酸化ガスｇ１の混合効率を向上させるためには後段ノズル孔１１−１のガス通過最小断面積Ａ２はあまり大きくすべきではないが、やむを得ない場合は後段ノズル孔１１−１の長さを長くし、混合効率を上げることができる。
【００２３】
上記のように、本実施形態例では、室２３からの酸化ガスＧ１はノズル本体１０の外周部の複数個のガス供給孔１６からガス流路１３に流れ込み、格子状に設けられた多数のガス流路１４を通って均一に後段ノズル孔１１−１の上端入口部１１−１ｂの外周上部の空隙１５から後段ノズル孔１１−１に流れ込む。ガス流路１４のコンダクタンスは十分大きく、前記中間ガス流入部のコンダクタンスをそれに比べて十分小さくすることにより、酸化ガスはノズル本体１０の内面に均一に分配される。
【００２４】
また、上記構成のガス噴射ヘッドにおいて、後段ノズル部材１１の後段ノズル孔１１−１のガス通過最小断面積Ａ２、前段ノズル部材１２の前段ノズル孔１２−１のガス通過最小断面積Ａ１及び中間ガス流入部のガス通過最小断面積Ａ３をガス流にチョーク現象が発生するまで、即ち各々のガス流の流速がＭ（マッハ）＝１以上になるまで小さくすることにより、各前段ノズル孔１２−１から原料ガスｇ２が均一に噴射されると共に、中間流入部から酸化ガスｇ１が均一に噴射され、更に各後段ノズル孔１１−１から混合ガスｇ３が均一に噴射されることになる。
【００２５】
上記チョーク現象を図５に示すように、前段ノズル部材１２の前段ノズル孔１２−１を例に説明すると、前段ノズル孔１２−１を通過するガスの流速がＭ（マッハ）＝１以上になるまで、ガス通過最小断面積を小さくすると、この時の通過するガスの質量流量ｍc（ｋｇ／ｓ）は下式（１）により求められる。
【００２６】
Fc≦mc／〔{2/(k+1)}1/(k-1){k/(k+1)}1/2{2(p1/v1)}1/2〕      （１）
但し、Ｆc：前段ノズル孔１２−１のガス通過最小断面積（ｍ2）
ｋ：比熱比（ガスにより一定）
ｐ1：前段ノズル孔１２−１のガス入口側のガス圧力（ｐａ）
ｖ1：前段ノズル孔１２−１のガス入口側のガス比容積（ｍ3／ｋｇ）
【００２７】
ここで、構造的ファクターは各ガス通過最小面積Ｆc（ｍ2）であり、断面形状にかかわらず、その通過最小断面積Ｆcとその一次側圧力ｐ1のみにより、構造的に各通過断面積１個当りの質量流量ｍc（ｋｇ／ｓ）は決定される。
【００２８】
プロセス的にガスの流速がＭ（マッハ）＝１以上であるかどうかは、前段ノズル孔１２−１のガス出口側の圧力ｐ2に対するガス入口側の圧力ｐ1の比で決定され、その圧力比がラバル圧力比ｐ*／ｐ1以下であれば、Ｍ≧１の状態となる。ここでｐ*は前段ノズル孔１２−１の最小断面積部分の圧力である。該ラバル圧力比ｐ*／ｐ1は比熱比ｋにより下記のようになる｛柘植盛男  機械熱力学（第７版）  昭和４８年３月２０日  朝倉書店  Ｐ．１６６参照｝。
【００２９】
0003710587.tif 000002
小孔の出口側のガス圧力ｐ2として、ラバル圧力比ｐ*／ｐ1＝０．５の時、
ａ）ｐ1＝２（ｐａ）、ｐ2＝２（ｐａ）のとき、ガスの流速は零、
ｂ）ｐ1＝２（ｐａ）、ｐ2＝１．５（ｐａ）のとき、ガスの流速は亜音速、
ｃ）ｐ1＝２（ｐａ）、ｐ2＝１（ｐａ）のとき、ノズルのノド部でＭ＝１となり、ｐ*＝ｐ2、
上記ｃ）の状態からｐ2の圧力を下げて下記ｄ）の状態にした場合、即ち、
ｄ）ｐ1＝２（ｐａ）、ｐ2＝０．５（ｐａ）のときノズルのノド部でＭ＝１且つノズルがデラバル管のときノズル出口でＭ＞１となり、ｐ*＝１（ｐａ）、ｐ2＝０．５（ｐａ）、
上記ｃ）とｄ）より、ｐ2／ｐ1＞０．５のときノズルの出口側でＭ≧１が保証されることがわかる。Ｍ＝１のとき（ｐ*＝ｐ2のとき）が境界条件となり、（ｐ2／ｐ1）＝（ｐ*／ｐ1）＝０．５となる。即ち、ｐ2＜ｐ*のときノズルの出口側でＭ≧１となる。
【００３０】
ある前段ノズル孔１２−１に上記状態（チョーク状態）を作ることにより、その前段ノズル孔１２−１のガス流量は、前段ノズル孔１２−１の入口側（一次側）のガス圧力ｐ1によってのみ決定されることになる（厳密には圧力ｐ1と前段ノズル孔１２−１のガス入口側（一次側）のガス比容積ｖ1によって決定される）。即ち、このチョーク状態にある前段ノズル孔１２−１から流出し得ない余分なガス流量は別の未チョーク状態の前段ノズル孔１２−１から流出し、その前段ノズル孔１２−１もチョーク状態になる。そして全部の前段ノズル孔１２−１がチョーク状態になる。
【００３１】
上記のようなプロセスで全ての前段ノズル孔１２−１を通るガス流がチョーク状態となり、一次側のガス圧力ｐ1が室２４内で概略同じになる様な構造であれば、全部の前段ノズル孔１２−１からのガスの質量流量ｍc（ｋｇ／ｓ）は全て同一となることが必然的に保証され、均一なガス噴射が可能となる。
【００３２】
同様なことが中間ガス流入部でも言えるので、ここでもガス流をチョーク状態にすることができる。全てのガス通過部がチョーク状態となっても必要流量に不足した場合は、一次側のガス圧力ｐ1を上昇させることにより、質量流量ｍcが増大し、最終的には必要流量が流れることになる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本願各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００３４】
（１）前段ノズル孔と後段ノズル孔の間に該後段ノズル孔の外周に開口する空隙を設け、該空隙を介して前段ノズル孔に流入するガスとは別のガスが流入するように構成したので、例えば前段ノズル孔に原料ガスを空隙に酸化ガスを流入することにより、酸化ガスと原料ガスは後段ノズル孔部で混合されるから、酸化ガスと原料ガスは好適タイミングで混合されることになり、原料ガスがガス噴射ヘッドの手前で反応し、この反応物質がガス噴射ヘッドの壁面に付着し、パーティクル発生の原因となったり、原料ガスと酸化ガスの混合が未完成のままとなるようなことが無い。
【００３５】
（２）また、請求項５に記載の発明によれば、前段ノズル孔及び空隙のガス流入部のガス流にチョーク現象を発生させるので、各前段ノズル孔及び各中間位置のガス流入路から均一にガスが噴射され、該噴射された各ガスが後段ノズル孔部で効率良く混合され、各後段ノズル孔からこの混合ガスが均一に噴射される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス噴射ヘッドに用いるノズル本体の構造を示す図で、同図（ａ）は一部平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面矢視図である。
【図２】本発明に係るガス噴射ヘッドのノズル部の拡大図である。
【図３】本発明に係るガス噴射ヘッドの一部断面側面図である。
【図４】中間位置のガス流入部のガス通過断面積を説明する図である。
【図５】チョーク現象を説明するための図である。
【符号の説明】
１０            ノズル本体
１１            後段ノズル部材
１１−１        後段ノズル孔
１２            前段ノズル部材
１２−１        前段ノズル孔
１３            ガス流路
１４            ガス流路
１５            空隙
１６            ガス供給孔
２０            ガス供給ヘッド
２１            外筒
２２            内筒
２３            室
２４            室
【図１】
0003710587.tif 000003
【図２】
0003710587.tif 000004
【図３】
0003710587.tif 000005
【図４】
0003710587.tif 000006
【図５】
0003710587.tif 000007