(57)【要約】【課題】上流フローライナーと中間フローライナーと下流フローライナーとを備え、上流フローライナーから半導体原料ガスを流し、中間フローライナー内に装填した基板に半導体薄膜を成長させ、下流フローライナーから排ガスを排出する気相成長装置において、中間フローライナー３内壁面に反応生成物が付着することを防止し、得られる半導体薄膜の膜厚、組成が均一となるようにする。【解決手段】中間フローライナー３外壁面に冷却部１１を設け、中間フローライナー３の下流側から上流側に向けて冷却ガスを流す。冷却部１１は、冷却筒１２と冷却ガス導入パイプ１３とから構成され、冷却筒１２が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプ１３が接続されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローライナー内に基板を置き、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に平行に流し、基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、
前記フローライナーの外壁面に沿って冷却ガスを半導体原料ガスの流れ方向と反対方向に向けて吹き付ける冷却手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
冷却手段は、冷却筒と冷却ガス導入パイプとから構成され、冷却筒が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプが接続されたものであって、
この冷却手段が、その冷却筒の壁部が存在しない部分がフローライナーの外壁面に面し、かつその冷却ガス導入パイプがフローライナーの半導体原料ガスの流れにおける下流側に位置し、フローライナーの長手方向に対して平行になるように配置されており、冷却筒を流れる冷却ガスがフローライナーの外壁面に直接接触して流れるようにしたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気相成長装置に関し、詳しくは半導体原料ガスを基板面と平行に流して基板表面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の横型気相成長装置にあっては、一般にステンレス鋼などからなるチャンバ内に石英ガラスなどからなる筒状のフローライナーを水平に設置し、このフローライナー内に基板を載置し、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に対して平行な方向に流し、ＣＶＤ反応によって基板表面に半導体薄膜を成長させるようになっている。
【０００３】
このような横型気相成長装置においては、成膜操作の際に基板やサセプタからの輻射熱によってフローライナーの特にその基板に対向する天井部分が高温に加熱される。このため、フローライナーの内壁面近傍においてもＣＶＤ反応が生じ、反応生成物がフローライナーの内壁面に付着する。
【０００４】
このフローライナー内壁面に付着した反応生成物は、次の成膜昇温時に膜となり、その膜応力が作用してフローライナーと付着した膜との間に大きな歪みが発生し、フローライナーを歪ませたり、変形させたりする原因となる。
【０００５】
さらに、フローライナーに付着した反応生成物は、基板表面や半導体薄膜を汚染する原因となる。このため、従来の気相成長装置では、数回の成膜操作に１回程度の割合でフローライナーを洗浄し、付着物を除去するようにしていた。この洗浄は当然気相成長装置の稼動効率を低下させ、生産性を悪化させることになる。
【０００６】
このような不都合を解決するものとして、特開２００４−７１８８３号公報には、フローライナーの外壁面に冷却ガスを吹き付けるか、あるいはフローライナーの内部に冷却ガスを直接導入してフローライナーの外壁面を冷却するようにした気相成長装置が開示されている。
【０００７】
この先行発明によれば、フローライナーの内壁面に反応生成物が付着することを低減できるものの、フローライナーの半導体原料ガスの流れにおける上流側部分（以下、上流部分と言うことがある。）と同じく半導体原料ガスの流れにおける下流側部分（以下、下流側部分と言うことがある。）とで温度分布が不均一となり、上流側部分と下流側部分との温度差が大きくなり、基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が不均一になると言う問題が残されていた。すなわち、フローライナーにはその上流側から低温の半導体原料ガスが流入するため、その上流側部分では低温となり、下流側部分ではこれに比べて高温となるためである。
【特許文献１】特開２００４−７１８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本発明における課題は、気相成長装置のフローライナーの内壁面に反応生成物が付着することを低減し、かつ得られる半導体薄膜の膜厚、組成が均一となるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、フローライナー内に基板を置き、このフローライナー内に半導体原料ガスを基板面に平行に流し、基板面に半導体薄膜を成長させる気相成長装置において、前記フローライナーの外壁面に沿って冷却ガスを半導体原料ガスの流れ方向と反対方向に向けて吹き付ける冷却手段を設けたことを特徴とする気相成長装置である。
【００１０】
請求項２にかかる発明は、冷却手段が、冷却筒と冷却ガス導入パイプとから構成され、冷却筒が樋状の形状をなし、その一端が開放され、その他端には冷却ガス導入パイプが接続されたものであって、この冷却手段が、その冷却筒の壁部が存在しない部分がフローライナーの外壁面に面し、かつその冷却ガス導入パイプがフローライナーの半導体原料ガスの流れにおける下流側に位置し、フローライナーの長手方向に対して平行になるように配置されており、冷却筒を流れる冷却ガスがフローライナーの外壁面に直接接触して流れるようにしたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、フローライナーの内壁面に反応生成物が付着することが低減され、かつ基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が均一となる。したがって、気相成長装置の稼動効率が向上し、良質の半導体薄膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明の気相成長装置の第１の例を示すものである。
図中符号１はフローライナーを示す。このフローライナー１は、上流フローライナー２と、中間フローライナー３と、下流フローライナー４とからなるもので、上流フローライナー２と中間フローライナー３と下流フローライナー４とがこの順番に水平に並べられ、三分割された構造となっている。
【００１３】
これらフローライナー２、３、４の接続部分には隙間が存在しており、特に中間フローライナー３と下流フローライナー４との隙間は大きくなっており、その間隔は１０ｍｍ程度となっている。これは、下流フローライナー４の入口側部分は拡がっているためであり、この部分からフローライナー１の外側を流れるパージガスをも吸引、排気するために拡げられているのである。
【００１４】
また、これらのフローライナー２、３，４は、いずれも断面形状が角筒状となっており、石英ガラスなどの耐熱性材料から構成されている。
さらに、中間フローライナー３の下壁には開口部が形成されており、この開口部をほぼ塞ぐようにしてウエハートレイ５が設けられている。このウエハートレイ５は、サセプタ６上に載せられており、サセプタ６の回転軸６１によって回転可能となっている。
【００１５】
また、サセプタ６の下方には円板状のカーボンヒータ７が設けられ、このカーボンヒータ７によりウエハートレイ５上の基板を加熱するようになっている。また、サセプタ６の下方にはカバー８が取り付けられ、サセプタ６，カーボンヒータ７などを覆うようになっている。
また、これらフローライナー１、カバー８等は、図示しないステンレス鋼などからなるチャンバ内に収容され、外気から遮断された状態となっている。
【００１６】
また、中間フローライナー３の上壁面の外側には、冷却手段としての冷却部１１が設けられている。この冷却部１１は、ステンレス鋼、石英、炭化ケイ素、窒化ホウ素などの耐熱性が良好な材料からなる冷却筒１２と冷却ガス導入パイプ１３とから構成されている。また、冷却部１１をなす材料が、赤外線を吸収しやすく加熱されやすい材料である場合には、冷却部１１そのものに水冷ジャケットなどの冷却装置を取り付けて、冷却部１１自体を冷却するようにすることが好ましい。
【００１７】
冷却筒１２は、その断面形状が概略コ字状もしくは半円状であり、全体が角樋状もしくは丸樋状の外観を有しており、その一端は閉じられ、他端は開放されて開口部となっており、閉じられた一端には冷却ガス導入パイプ１３が接続されて冷却部１１となっている。この冷却ガス導入パイプ１３には、図示しない冷却ガス供給源からの冷却ガスが流れるようになっており、冷却ガスがこのパイプ１３を通って冷却筒１２内部に吹き出て、他端の開口部に向けて流れるようになっている。
【００１８】
また、この冷却部１１の冷却筒１２は、その壁部が存在しない部分が中間フローライナー３の上壁面に面するように配置されて中間フローライナー３に取り付けられており、冷却筒１２内を流れる冷却ガスが直接中間フローライナー３の外壁面に接しつつ流れるように構成されている。
【００１９】
さらに、冷却筒１２は、その長手方向が中間フローライナー３の長手方向と平行になるように配置され、かつ冷却筒１２の開口部が中間フローライナー３の上流側に位置するように配置されて、中間フローライナー３に取り付けられている。
【００２０】
このような気相成長装置においては、上流フローライナー２から中間フローライナー３に向けて半導体原料ガスを流し、中間フローライナー３のウエハトレー５上に置かれた基板表面にＣＶＤ反応により半導体薄膜を成長させ、反応後の排ガスをチャンバ内を流れるパージガスとともに下流フローライナー４から吸引して排出する。
【００２１】
この気相成長操作の際に、冷却部１１の冷却筒１２内に冷却ガス導入パイプ１２を介して、アルゴン、窒素などの温度１００℃以下、好ましくは１０〜４０℃の冷却ガスを冷却筒１２の開口部に向けて流す。この冷却ガスは、中間フローライナー３の上壁面を冷却しながら、自らは加熱されつつ冷却筒１２の開口部側に流れることになる。
【００２２】
このため、高温となる中間フローライナー３の下流側部分が低温の冷却ガスによって良好に冷却され、低温となる中間フローライナー３の上流側部分が加熱された冷却ガスに接するため、さほど冷却されなくなる。
したがって、中間フローライナー３内における長手方向の温度分布の不均一性が、冷却部１１を設けないものに比較して改善され、中間フローライナー３の上流側と下流側とでの温度差が小さいものとなる。このため、基板に成長する半導体薄膜の膜厚、組成が均一なものとなる。
【００２３】
また、同時に中間フローライナー３の外壁面が冷却ガスで冷却されるので、その内壁面近傍の温度が低下した状態となり、ここでのＣＶＤ反応が抑制されて、内壁面への反応生成物の付着が低減される。このため、中間フローライナー３の洗浄回数が削減されるとともに反応生成物の付着に起因する中間フローライナー３の歪み、変形を防止できる。
【００２４】
図２は、本発明の気相成長装置の第２の例を示すものである。
この例においては、冷却部１１の冷却筒１２の閉じられた一端が斜め上方に延びたロート状の形状とされ、このロート状部分の冷却筒１２側が広口部とされ、これの反対側が細口部となっており、この細口部に冷却ガス導入パイプ１３が接続されている。
この例においても、先の例と同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
なお、上述の２つの例においては、冷却部１１を中間フローライナー３の上壁面に設けるようにしたが、これに限らず中間フローライナー３の側壁面に設けるようにしてもよい。
【００２６】
以下、具体例を示す。
（具体例１）
図１に示した気相成長装置を用いて、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜を成膜し、その際に冷却部１１に冷却ガスを流してその効果を確認した。
中間フローライナー３には、石英ガラス製の幅１４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、高さ１０ｍｍの内寸法を有するものを用いた。
【００２７】
冷却部１１として、石英製の幅１４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、高さ５ｍｍの内寸法を有する冷却筒１２を中間フローライナー３に溶接したものを用いた。冷却ガスとして温度２０℃の窒素をステンレス鋼製の冷却ガス導入パイプ１３から流量２０リットル／分で中間フローライナー３の下流側から上流側に向けて流した。
成膜を以下の条件で繰り返して行い、中間フローライナー３の内壁面の汚れを観察した。
【００２８】
ヒーター温度：１１５０℃
半導体原料ガス流量条件
アンモニア        ：１０ＳＬＭ
水素              ：１０ＳＬＭ
窒素              ：２０ＳＬＭ
トリメチルガリウム：２６０μモル／分
成長時間：６０分
【００２９】
その結果、冷却ガスを流さずに成膜したときは、数回の成長で中間フローライナー３の配壁面に反応生成物が付着したが、冷却ガスを流したときは、数回の成長後でも反応生成物は付着しなかった。
さらに、冷却ガスを中間フローライナー３の上流側から下流側に向けて流して成膜を行った場合には、数回の成長後、反応生成物の付着はなかったが、サファイア基板上のＧａＮ膜の面内膜厚分布が８％（σ）であった。
【００３０】
これに対して、中間フローライナー３の下流側から上流側に向けて流した場合には、数回の成膜後、反応生成物の付着はなく、基板上のＧａＮ膜の面内膜厚分布が２％（σ）に改善されたことが確認された。
【００３１】
さらに、上述のようにして成膜した窒化ガリウム薄膜上に以下の成膜条件によって窒化インジュウムガリウム（ＩｎＧａＮ）薄膜を成長させた。
ヒーター温度：７００℃
半導体原料ガス流量条件
アンモニア      ：１０ＳＬＭ
窒素            ：３０ＳＬＭ
トリメチルガリウム  ：９０μモル／分
トリメチルインジウム：４５μモル／分
成長時間：６０分
【００３２】
そして、冷却ガスを中間フローライナー３の上流側から下流側に向けて流して成膜を行った場合には、数回の成長後、反応生成物の付着はなかったが、基板上のＩｎＧａＮ膜中のＩｎ組成分布は１２％（σ）であった。
これに対して、中間フローライナー３の下流側から上流側に向けて流した場合には、数回の成膜後、反応生成物の付着はなく、基板上のＩｎＧａＮ膜中のＩｎ組成分布が４％（σ）に改善されたことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の気相成長装置の例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の気相成長装置の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
３・・・中間フローライナー、１１・・・冷却部、１２・・・冷却筒、１３・・・冷却ガス導入パイプ。
【図１】
2006080196.tif 000003
【図２】
2006080196.tif 000004