(57)【要約】【課題】連続稼働が可能であり、生産性に優れるハイドライド気相成長装置を提供する。【解決手段】基板を処理する反応炉と、前記反応炉内に設けられ、金属原料が収容される内部タンクと、前記内部タンクに設けられる第１の供給管と、前記第１の供給管に接続され、前記反応炉外に設けられる、前記内部タンクに前記金属原料を供給する供給部と、を備えるハイドライド気相成長装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する反応炉と、
前記反応炉内に設けられ、金属原料が収容される内部タンクと、
前記内部タンクに設けられる第１の供給管と、
前記第１の供給管に接続され、前記反応炉外に設けられる、前記内部タンクに前記金属原料を供給する供給部と、を備える
ことを特徴とするハイドライド気相成長装置。
【請求項２】
前記供給部は、
前記第１の供給管の上流端に接続され、前記金属原料が貯留される外部タンクを備え、
前記外部タンクは前記第１の供給管を介して前記内部タンクと連通する
ことを特徴とする請求項１に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項３】
前記供給部は、
前記外部タンクに設けられる第２の供給管と、
前記第２の供給管に接続され、前記外部タンクに前記金属原料を供給する供給源と、
前記第２の供給管に設けられるバルブ又は流量制御器と、を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項４】
前記供給部は、
前記第１の供給管の上流端に接続され、前記内部タンクに前記金属原料を供給する供給源と、
前記第１の供給管に設けられるバルブ又は流量制御器と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項５】
前記第１の供給管および前記供給部が、前記金属原料の融点よりも高い温度に保持される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項６】
前記第１の供給管は、前記第１の供給管の供給口よりも低位置を経由して流れる屈曲部を有する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のハイドライド気相成長装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のハイドライド気相成長装置を用いた基板処理方法であって、
前記供給部から前記内部タンクに前記金属原料を供給しつつ、前記基板を処理する
ことを特徴とする基板処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイドライド気相成長装置、およびこれを用いた基板処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物半導体結晶は、赤色から紫外の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。これらの窒化物半導体結晶の結晶成長法の一つに、金属塩化物ガスとアンモニア（ＮＨ３）を原料とするハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）がある。ＨＶＰＥ法の特徴としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの他の結晶成長法では１μｍ／ｈｒ程度の成長速度が得られることと比較して、格段に大きな１０μｍ／ｈｒ以上或いは１００μｍ／ｈｒ以上の成長速度が得られる点が挙げられる。このため、ＨＶＰＥ法は、基板上に窒化物半導体結晶を成長させた窒化物半導体ウエハの製造や、窒化物半導体結晶を厚く成長させた窒化物半導体自立基板（例えばＧａＮ自立基板やＡｌＮ自立基板）の製造によく用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＨＶＰＥ法により窒化物半導体結晶を成長させて基板処理を行う装置として、ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）がある。一般に、ＨＶＰＥ装置は、窒化物半導体の結晶成長を行う反応炉を備えている。反応炉内には、ＧａＣｌ等の金属塩化物ガスを生成する内部タンクが設けられている。内部タンク内には、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｌなどのIII族の金属原料が収容され、内部タンクには、塩素系ガスを含む塩素系含有ガスを供給する供給管が接続されている。内部タンクにおいては、供給された塩素系ガスと金属原料との反応により、III族原料の金属塩化物ガス（例えばＧａＣl）が生成される。III族原料の金属塩化物ガスは、内部タンクに接続された排出管から導出され、反応炉内に設置された基板の表面へと送られる。また、反応炉内には、例えばＶ族原料のアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を供給する供給管が設けられ、ＮＨ３ガスは、反応炉内に設置された基板の表面へと送られる。そして、基板の表面へと送られてきた金属塩化物ガスとＮＨ３ガスとが反応することで、基板上に窒化物半導体結晶が成長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８８６３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＨＶＰＥ装置において、内部タンクには所定量の金属原料が収容されている。金属原料は、基板処理（窒化物半導体結晶の成長）の際に金属塩化物ガスとなることで消費される。基板処理を繰り返すことにより、金属原料は徐々に消費され、その量が減少することになる。内部タンクに収容される金属原料が少なすぎたり、枯渇したりすると、金属塩化物ガスが生成しにくくなり、基板処理が困難となる。このため、内部タンクには、例えば基板処理の回数などに応じて、金属原料が補充される。
【０００６】
ただし、内部タンクに金属原料を補充する場合、ＨＶＰＥ装置を停止して反応炉を分解し、反応炉内に設けられる内部タンクを取り出す必要がある。また、反応炉を分解して金属原料を補充した際には、ＨＶＰＥ装置を再稼働する前にリークチェック等の点検作業を行う必要がある。
【０００７】
このようにＨＶＰＥ装置では、反応炉内に設けられる内部タンクに金属原料を補充する必要があるため、連続的に稼働できないといった問題があった。また、補充の度に、ＨＶＰＥ装置の稼働を停止して反応炉を分解するだけでなく、点検作業を行う必要もあるため、ＨＶＰＥ装置を再稼働するまでに多くの時間を要するといった問題があった。この結果、従来のＨＶＰＥ装置では、金属原料の補充により稼働効率が低く、窒化物半導体結晶を成長させて基板処理する効率が低い傾向にあった。つまり、従来のＨＶＰＥ装置では、窒化物半導体自立基板や窒化物半導体ウエハなどを生産性よく製造することが困難となっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、連続稼働が可能であり、生産性に優れるハイドライド気相成長装置、およびそれを用いた基板処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、
基板を処理する反応炉と、前記反応炉内に設けられ、金属原料が収容される内部タンクと、前記内部タンクに設けられる第１の供給管と、前記第１の供給管に接続され、前記反応炉外に設けられる、前記内部タンクに前記金属原料を供給する供給部と、を備える、ハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、
前記供給部は、前記第１の供給管の上流端に接続され、前記金属原料が貯留される外部タンクを備え、前記外部タンクは前記第１の供給管を介して前記内部タンクと連通する、第１の態様のハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１１】
本発明の第３の態様によれば、
前記供給部は、前記外部タンクに設けられる第２の供給管と、前記第２の供給管に接続され、前記外部タンクに前記金属原料を供給する供給源と、前記第２の供給管に設けられるバルブ又は流量制御器と、を備える、第２の態様のハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１２】
本発明の第４の態様によれば、
前記供給部は、前記第１の供給管の上流端に接続され、前記内部タンクに前記金属原料を供給する供給源と、前記第１の供給管に設けられるバルブ又は流量制御器と、を備える、第１の態様のハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１３】
本発明の第５の態様によれば、
前記第１の供給管および前記供給部が、前記金属原料の融点よりも高い温度に保持される、第１〜第４の態様のいずれかのハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１４】
本発明の第６の態様によれば、
前記第１の供給管は、前記第１の供給管の供給口よりも低位置を経由して流れる屈曲部を有する、第１〜第５の態様のいずれかのハイドライド気相成長装置が提供される。
【００１５】
本発明の第７の態様によれば、
第１〜第６の態様のいずれかのハイドライド気相成長装置を用いた基板処理方法であって、前記供給部から前記内部タンクに前記金属原料を供給しつつ、前記基板を処理する、基板処理方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、連続稼働が可能であり、生産性に優れるハイドライド気相成長装置を提供できる。また、本発明によれば、窒化物半導体ウエハや窒化物半導体自立基板を生産性よく製造可能な基板処理方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイドライド気相成長装置の概略図である。
【図２】内部タンクと外部タンクの連通について説明をする図である。
【図３】第１の供給管における屈曲部について説明をする図である。
【図４】従来のハイドライド気相成長装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
従来のＨＶＰＥ装置は、例えば図４に示すような構造を有する。
ＨＶＰＥ装置１００は、基板３０を処理する反応炉１２０を備え、反応炉１２０内には、ＧａＣｌ等の金属塩化物ガスを生成する内部タンク１２５が設けられている。原料部ヒータ１２２ａにより加熱される内部タンク１２５内には、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｌなどのIII族の金属原料Ｍが収容され、内部タンク１２５には、ＨＣｌガスなどの塩素系ガスを含む塩素系含有ガスＧ１を供給する塩素系ガス供給管１２３が接続されている。塩素系ガス供給管１２３から内部タンク１２５内に供給された塩素系ガスと金属原料Ｍ（例えばＧａ）との反応により、内部タンク１２５内には金属塩化物ガス（例えばＧａＣl）が生成される。生成された金属塩化物ガスを含む金属塩化物含有ガスＧ２は、内部タンク１２５に接続された金属塩化物ガス排出管１２４から導出され、反応炉１２０内の成長部ヒータ１２２ｂにより加熱される成長部１２１ｂに設置された基板３０（ウエハ３０）へと送られる。また、反応炉１２０には、Ｖ族原料のアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を含むＮＨ３含有ガスＧ３を供給するＮＨ３ガス供給管１２６と、ドーピング原料ガスを含むドーピング原料含有ガスＧ４を供給するドーピング原料ガス供給管１２７とが設けられている。基板３０へと送られてきた金属塩化物ガス排出管１２４からの金属塩化物ガスと、ＮＨ３ガス供給管１２６からのＮＨ３ガスとが反応して、基板３０に窒化物半導体結晶が成長する。
【００１９】
このようなＨＶＰＥ装置１００では、上述したように、金属原料Ｍが消費される度に、反応炉１２０を分解して内部タンク１２５を取り出し、内部タンク１２５に金属原料Ｍを補充して、リークチェック等の点検作業を行う必要があり、連続的に稼働することができない。
【００２０】
この課題を解決するため、本発明者らは、ＨＶＰＥ装置の構成について検討を行った。その結果、反応炉の内部に設けられる内部タンクに金属原料を供給できるような供給部を、反応炉外に設けることがよいとの知見を得た。反応炉外にある供給部によれば、反応炉を分解することなく内部タンクに金属原料を補充できるため、ＨＶＰＥ装置の稼働中であっても適宜補充が可能となり、ＨＶＰＥ装置を連続的に稼働することができる。本発明は、このような知見に基づいて成されたものである。
【００２１】
［１．一実施形態］
以下、本発明の一実施形態について説明をする。
【００２２】
＜１−１．ハイドライド気相成長装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係るハイドライド気相成長装置１の概略図を示す。
【００２３】
本実施形態のハイドライド気相成長装置１（ＨＶＰＥ装置１）は、図１に示すように、例えば石英等により構成される反応炉２０を備えている。
【００２４】
反応炉２０は、上流側の原料部２１ａと下流側の成長部２１ｂとに分かれており、原料部２１ａの外周には原料部ヒータ２２ａが設けられ、成長部２１ｂの外周には成長部ヒータ２２ｂが設けられている。原料部２１ａは、原料部ヒータ２２ａによって例えば６００℃〜９００℃に加熱され、後述する金属原料Ｍと塩素系ガスとを反応させて金属塩化物ガスを生成する領域である。また、成長部２１ｂは、成長部ヒータ２２ｂによって例えば５００℃〜１２００℃に加熱され、後述する金属塩化物ガス、アンモニアガス及びドーピング原料ガスを反応させ、基板３０上に窒化物半導体結晶を成長させる領域である。なお、成長部ヒータ２２ｂにおける加熱温度が窒化物半導体結晶の成長温度となる。
【００２５】
反応炉２０の成長部２１ｂには、窒化物半導体結晶の成長がなされる基板３０を支持するサセプタ３１が設けられており、サセプタ３１は回転軸３２により回転可能に支持されている。基板３０は、窒化物半導体結晶の成長面がガスの供給口と対向するようにサセプタ３１に支持されている。
【００２６】
反応炉２０の原料部２１ａには、塩素系ガス供給管２３、ＮＨ３ガス供給管２６およびドーピング原料ガス供給管２７が反応炉２０の原料部２１ａ側の側壁を貫通させて設けられている。これらの供給管はそれぞれ、例えば石英から形成される。また、反応炉２０の成長部２１ｂ側の側壁には、反応炉２０内のガスを排気するガス排気管２８が設けられ、ガス排気管２８には排気ライン（図示略）が接続されている。
【００２７】
ＮＨ３ガス供給管２６は、反応炉２０の原料部２１ａ側の側壁を貫通して設けられ、反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０に向けて配置されている。ＮＨ３ガス供給管２６の上流端には、ＮＨ３含有ガス供給源（図示略）が接続されており、ＮＨ３ガス（アンモニアガス）を含むＮＨ３含有ガスＧ３と共にキャリアガスが供給される。ＮＨ３ガス供給管２６からは、ＮＨ３含有ガスＧ３が反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０上へ供給される。
【００２８】
ドーピング原料ガス供給管２７は、反応炉２０の原料部２１ａ側の側壁を貫通して設けられ、反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０に向けて配置されている。ドーピング原料ガス供給管２７の上流端には、ドーピング原料含有ガス供給源（図示略）が接続されており、ドーピング原料ガスを含むドーピング原料含有ガスＧ４と共にキャリアガスが供給される。ドーピング原料ガス供給管２７からは、ドーピング原料含有ガスＧ４が反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０上へ供給される。
【００２９】
塩素系ガス供給管２３は、反応炉２０の原料部２１ａ側の側壁を貫通させて設けられ、後述する内部タンク２５に接続されている。塩素系ガス供給管２３の上流端には、塩素系含有ガス供給源（図示略）が接続されており、塩素系ガス（例えばＨＣｌ、Ｃｌ２など）を含む塩素系含有ガスＧ１と共にキャリアガスが供給される。塩素系ガス供給管２３からは、塩素系含有ガスＧ１が反応炉２０内の内部タンク２５に供給される。
【００３０】
内部タンク２５は、反応炉２０の原料部２１ａに設けられ、例えばＧａ、ＩｎなどのIII族の金属原料Ｍを収容している。内部タンク２５は原料部ヒータ２２ａにより加熱され、収容される金属原料Ｍも加熱される。金属原料Ｍは加熱により融液状態となり、例えばＧａは３０℃以上、Ｉｎは１６０℃以上で融液状態となる。内部タンク２５では、供給される塩素系ガスと金属原料Ｍとの反応により金属塩化物ガス（例えばＧａＣｌ、ＩｎＣｌなど）が生成される。なお、内部タンク２５は、例えば石英から形成されるボート形状（直方体形状）の容器である。内部タンク２５においては、金属原料Ｍと塩素系ガスとの接触面積を確保し、金属塩化物ガスを効率的に発生させる観点から、収容される金属原料Ｍの液面の面積（表面積）が１０ｃｍ×１０ｃｍ以上となるような大きさを有することが好ましい。また内部タンク２５の高さは、特に限定されないが、例えば５ｃｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
内部タンク２５には、塩素系ガスを含む塩素系含有ガスＧ１を供給する塩素系ガス供給管２３が接続されている。内部タンク２５においては、塩素系ガス供給管２３から供給された塩素系ガスと、収容する金属原料Ｍとの反応により、金属塩化物ガスが生成される。
また内部タンク２５には、生成された金属塩化物ガスを含む金属塩化物含有ガスＧ２を導出する金属塩化物ガス排出管２４が接続され、金属塩化物ガス排出管２４は反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０に向けて配置される。金属塩化物ガス排出管２４からは、内部タンク２５内で生成した金属塩化物ガスを含む金属塩化物含有ガスＧ２が導出され、反応炉２０の成長部２１ｂの基板３０上へ供給される。
【００３２】
内部タンク２５においては、金属塩化物ガスの生成により金属原料Ｍが消費され、その収容量が減少するため、金属原料Ｍを補充する必要がある。本実施形態では、反応炉２０を分解することなく内部タンク２５に金属材料Ｍを補充できるように、ＨＶＰＥ装置１は、内部タンク２５に設けられる第１の供給管１１と、反応炉２０外に設けられ、第１の供給管１１に接続されて内部タンク２５に金属原料Ｍを供給する供給部１０とを、備える。第１の供給管１１は内部タンク２５に設けられ、反応炉２０外に延在するように配置される。供給部１０は、第１の供給管１１に接続され、反応炉２０外に設けられる。供給部１０は、第１の供給管１１により、反応炉２０外から反応炉２０内の内部タンク２５へ金属原料Ｍを適宜供給することができる。これにより、反応炉２０を分解することなく内部タンク２５に金属原料Ｍを供給できるため、補充の度にＨＶＰＥ装置１の稼働を停止させることなく、連続的に稼働することができる。
【００３３】
内部タンク２５への金属原料Ｍの供給量は、内部タンク２５における金属原料Ｍの消費量に応じて決定される。ただし、ＨＶＰＥ装置１では、反応炉２０の外側に原料部ヒータ２２ａ等が設けられているため、反応炉２０内に設けられる内部タンク２５に収容される金属原料Ｍの残量や消費量は視認できず、金属原料Ｍの消費量などは外部から明確に把握できない。このため、金属原料Ｍの消費量などは、例えばＨＶＰＥ装置１の稼働時間（基板処理の時間）や基板処理量（基板３０の処理枚数）から予測される。
【００３４】
本実施形態では、予測により求められる金属原料の残量や消費量を外部から明確に把握できるように、図１に示すように、供給部１０が、内部タンク２５に連通される外部タンク１２を備えることが好ましい。具体的には、供給部１０が、第１の供給管１１の上流端に接続され、金属原料Ｍが貯留される外部タンク１２を備え、外部タンク１２は、第１の供給管１１を介して内部タンク２５と連通していることが好ましい。外部タンク１２が第１の供給管１１を介して内部タンク２５と連通されることで、図２に示すように、外部タンク１２と内部タンク２５とは、その間で金属原料Ｍが流通できるように構成される。これにより、内部タンク２５と外部タンク１２では、それぞれに収容される金属原料Ｍの液面の高さが略同一となる。また、基板処理により内部タンク２５における金属原料Ｍが消費された場合であっても、内部タンク２５および外部タンク１２のそれぞれにおける金属原料Ｍの液面の高さが略同一となる。例えば、外部タンク１２における初期の液面の高さをｈ０、金属原料Ｍが消費されたときの液面の高さをｈ１としたとき、金属原料Ｍの消費により内部タンク２５における液面がｈ０からｈ１まで低下すると、連通している外部タンク１２では、その低下に対応して液面がｈ０からｈ１まで低下する。つまり、液面がｈ０からｈ１まで変位する液面の変位分Δｈが、金属原料Ｍの消費量に相当することになる。
このように、外部タンク１２によれば、貯留する金属原料Ｍの液面の高さから、内部タンク２５における金属原料Ｍの液面の高さを把握でき、内部タンク２０における金属原料Ｍの残量を視認できる。また同様に、貯留する金属原料Ｍの液面の変位分（Δｈ）から、内部タンク２５における金属原料Ｍの消費量を把握することができる。しかも、外部タンク１２は、内部タンク２５との間で金属原料Ｍが流通できるように構成されているため、金属原料Ｍを外部タンク１２に供給することで内部タンク２５にも供給することができる。すなわち、外部タンク１２によれば、反応炉２０の外から内部タンク２５の金属原料Ｍの残量（もしくは消費量）をモニタリングできると共に、モニタリングされた金属原料Ｍの残量（もしくは消費量）に応じて金属原料Ｍを適宜供給することができる。
【００３５】
また供給部１０は、好ましくは、外部タンク１２に設けられる第２の供給管１３と、第２の供給管１３に接続され、外部タンク１２に金属原料Ｍを供給する供給源１４と、第２の供給管１３に設けられるバルブ１５と、を備える。供給源１４は、第２の供給管１３により外部タンク１２に金属原料Ｍを供給することで、外部タンク１２に貯留する金属原料Ｍおよび内部タンク２５に収容される金属原料Ｍの液面の高さを増加できる。また、バルブ１５は、供給源１４から外部タンク１２への金属原料Ｍの供給量を調整し、液面の高さの増加を調整することができる。つまり、供給部１０が供給源１４とバルブ１５とを備えることにより、金属原料Ｍの消費に対応して金属原料Ｍを供給し、ＨＶＰＥ装置１を連続的に稼働することができる。
【００３６】
供給部１０は、より好ましくは、外部タンク１２に貯留する金属原料Ｍの液面の高さを検出する液面検出器１６と、液面検出器１６により検出される液面の高さに応じてバルブ１５を制御する制御装置１７とをさらに備える。
【００３７】
液面検出器１６は、外部タンク１２に設けられ、外部タンク１２に貯留する金属原料Ｍの液面の高さを検出できる。これと同時に、内部タンク２５に収容される金属原料Ｍの液面の高さを検出できる。液面検出器１６としては、特に限定されないが、例えば液面センサ等を用いることができる。
【００３８】
制御装置１７は、液面検出器１６とバルブ１５と電気的に接続されている。制御装置１７は、液面検出器１６で検出した金属原料Ｍの液面の高さを参照し、その液面の高さに基づいて、外部タンク１２に貯留する金属原料Ｍの液面が所定の高さとなるように、供給源１４から外部タンク１２へ供給される金属原料Ｍの供給量を調整するバルブ１５を制御する。具体的には、図２に示すように、外部タンク１２における金属原料Ｍの液面の高さが基板処理によりｈ０からｈ１まで低下すると、制御装置１７はバルブ１５を開くことにより、供給源１４から外部タンク１２への金属原料Ｍの供給を開始する。そして、この供給により液面の高さがｈ０まで戻った際には、制御装置１７はバルブ１５を閉じることにより、金属原料Ｍの外部タンク１２への供給を停止する。つまり、バルブ１５により供給量を制御する場合、基板処理による金属原料Ｍの消費量（変位量Δｈ）分を外部タンク１２と共に内部タンク２５に適宜供給する。
【００３９】
このように供給部１０が液面検出器１６および制御装置１７をさらに備えることにより、ＨＶＰＥ装置１の連続稼働の際、内部タンク２５における金属原料Ｍの液面の高さを所定値（ｈ１）以上に維持することができる。これにより、後述するように、内部タンク２５において金属塩化物ガスを安定して生成し、金属塩化物ガスの生成効率を向上させる。そして、基板３０上に供給される金属塩化物ガスの濃度のバラつきを抑制することができる。
【００４０】
ここで、金属塩化物ガスの生成効率について説明をする。
内部タンク２５で生成する金属塩化物ガスの濃度（基板３０上に供給される金属塩化物ガスの濃度）は、一般に、内部タンク２５に供給される塩素系ガスと内部タンク２５に収容される金属原料Ｍとの接触効率（例えば接触面積や接触時間など）により決定される。例えば、ある基板処理により金属原料Ｍを消費した場合には、次の基板処理では内部タンク２５内の金属原料Ｍの液面が低下しており、金属原料Ｍの液面上部の空間が前回の基板処理よりも拡大することになる。この空間が拡大するほど、塩素系ガスと金属原料Ｍとの接触効率が損なわれるため、金属塩化物ガスの生成効率が低下し、その濃度が低下することになる。このように金属塩化物ガスの生成は、金属原料Ｍの液面の高さによって変動し、不安定である。この生成の不安定性により、基板処理における窒化物半導体結晶の成長速度が低下するばかりか、形成される窒化物半導体結晶の特性が変動する。この傾向は、基板処理の時間や回数が増えるほど金属原料Ｍの液面の高さが大きく変動するため、顕著となる。
具体的には、基板処理により、窒化物半導体結晶を厚く成長させて窒化物半導体自立基板を製造する場合、１回の基板処理の時間が長く、金属原料Ｍが大量に消費されるため、金属塩化物ガスの生成効率の低下による影響が生じる。つまり、窒化物半導体結晶を厚く成長させる途中において、金属塩化物ガスの生成効率が徐々に低下するため、所望の膜厚を得ることが困難となるばかりか、厚さ方向で特性がバラつくといったおそれがある。また、基板処理により、基板３０上に窒化物半導体結晶を薄く成長させた窒化物半導体ウエハを製造する場合にも、同様に、金属塩化物ガスの生成効率の低下による影響が生じる。この場合では、１回の基板処理での金属原料Ｍの消費量が少ないため、数回程度の基板処理では金属塩化物ガスの生成効率が低下することはない。しかし、基板処理の回数を例えば数１００回以上として窒化物半導体ウエハを量産すると、回数の増加と共に生成効率が低下するため、得られる窒化物半導体ウエハの間で特性にバラつきが生じるといったおそれがある。
【００４１】
この点、液面検出器１６および制御装置１７によれば、内部タンク２５における金属原料Ｍの液面の高さを、金属塩化物ガスの生成が不安定とならないような高さに維持できるため、金属塩化物ガスの生成効率の低下を抑制できる。したがって、ＨＶＰＥ装置１では、基板処理を連続して行う場合であっても、金属塩化物ガスの生成の不安定性を抑制し、窒化物半導体結晶の特性のバラつきを抑制できる。なお、金属塩化物ガスの生成効率の低下を抑制する観点からは、外部タンク１２における金属原料Ｍの初期の液面の高さ（ｈ０）と、金属原料Ｍが消費されたときの液面の高さ（ｈ１）との差（変位量Δｈ）を小さくすることが好ましい。これにより、金属原料Ｍの液面の変位量を低減し、金属塩化物ガスの生成効率の低下を低減することができる。
【００４２】
またＨＶＰＥ装置１において、第１の供給管１１および供給部１０は、金属原料Ｍの融点よりも高い温度に保持されていることが好ましい。これにより、金属原料Ｍは流動性を示すため、外部タンク１２と内部タンク２５との間で流通しやすくなる。
【００４３】
またＨＶＰＥ装置１において、第１の供給管１１は、その供給口よりも低位置を経由して流れる屈曲部１８を有することが好ましい。例えば、図３に示すように、内部タンク２５に収容される金属原料Ｍの収容量が少なくなり過ぎると、内部タンク２５内に供給される塩素系含有ガスＧ１が第１の供給管１１に流入するおそれがある。しかし、第１の供給管１１に、供給口よりも低位置を経由して流れる屈曲部１８が設けられることによって、屈曲部１８には金属原料Ｍが残存することになる。この結果、塩素系含有ガスＧ１の逆流が抑制されることになる。
【００４４】
＜１−２．基板処理方法＞
次に、上述のハイドライド気相成長装置１を用いた基板処理方法について説明をする。以下の基板処理方法では、基板３０としてのサファイア基板上に窒化物半導体層としてのＧａＮ膜を成長させ、窒化物半導体ウエハを製造する場合を例として説明する。
【００４５】
（基板搬入工程）
まず、基板３０としてのサファイア基板を反応炉２０内に搬入し、成長部２１ｂに位置するサセプタ３３に載置する。
【００４６】
（基板クリーニング工程）
続いて、原料部ヒータ２２ａによって反応炉２０の原料部２１ａを加熱すると同時に、成長部ヒータ２２ｂによって反応炉２０の成長部２１ｂを加熱する。これにより、原料部２１ａに位置する内部タンク２５に収容される金属原料Ｍとしてのガリウム（Ｇａ）の温度を１００〜９００℃として、Ｇａを溶融状態として、成長部２１ｂに位置するサファイア基板の温度を１０００〜１２００℃程度とする。原料部２１ａおよび成長部２１ｂを加熱した状態で、各供給管２４，２６，２７から水素含有ガスを反応炉内２０に供給し、サファイア基板の表面をクリーニングする。
【００４７】
（バッファ層形成工程）
続いて、成長部２１ｂの温度を低下させて、基板３０としてのサファイア基板上に、例えば厚さ１０〜２００ｎｍ程度のＧａＮからなるバッファ層（いわゆる低温バッファ層）を形成する。具体的には、成長部２１ｂの温度を４００〜６００℃に低下させる。そして、塩素系ガス供給管２３から、Ｇａを収容する内部タンク２５に、塩素系ガスとして例えばＨＣｌガスを供給する。内部タンク２５において、ＨＣｌガスとＧａとの反応により、金属塩化物ガスとしての塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを生成させる。生成したＧａＣｌガスを金属塩化物ガス排出管２４から反応炉２０内のサファイア基板上へと供給する。ＧａＣｌガスの供給と併行して、アンモニアガス（ＮＨ３ガス）をＮＨ３ガス供給管２６から反応炉２０内のサファイア基板上へと供給する。ＧａＣｌガスとＮＨ３ガスとを反応させることによって、サファイア基板上に、ＧａＮからなる低温バッファ層を形成する。低温バッファ層の厚さが所定の厚さに達したら、ＨＣｌガスの供給を停止する。
【００４８】
（窒化物半導体層形成工程）
バッファ層形成工程が終了したら、バッファ層上に、窒化物半導体層としてのｎ型ＧａＮ層を形成する。具体的には、バッファ層形成工程が終了した後、成長部２１ｂの温度を再度１０００〜１２００℃に昇温する。この昇温の際には、低温バッファ層の再蒸発防止のため、ＮＨ３ガスの供給は継続する。成長部２１ｂの温度が成長温度に到達したら、再度、塩素系ガス供給管２３から内部タンク２５へとＨＣｌガスを供給し、内部タンク２５においてＧａＣｌガスの生成を開始する。そして、金属塩化物ガス排出管２４から、ＧａＣｌガスを反応炉２０内に供給する。この供給と併行して、ＮＨ３ガス供給管２６からＮＨ３ガスを、ドーピングガス供給管２７からＳｉなどのｎ型不純物を含有するドーピング原料含有ガスを、反応炉２０内にそれぞれ供給する。これらのガスを反応させることによって、低温バッファ層上に、窒化物半導体層としてのｎ型ＧａＮ層を形成する。ｎ型ＧａＮ層の厚さが所定の厚さに達したら、反応炉２０内へのガスの供給を停止する。これにより、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層が形成された窒化物半導体ウエハを形成する。
【００４９】
なお、上記ＨＣｌガスやＧａＣｌガスをキャリアガスと共にサファイア基板上に供給してもよい。また、ＮＨ３ガスまたはドーピング原料含有ガスをキャリアガスと共にサファイア基板上に供給してもよい。キャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、および、これらの混合ガスが好ましい。
【００５０】
（パージ工程）
反応炉２０内へのＧａＣｌガス、ＮＨ３ガス、およびドーピング原料含有ガスの供給を停止した後、塩素系ガス供給管２３、ＮＨ３ガス供給管２６およびドーピング原料ガス供給管２７の少なくともいずれかから、例えばＮ２ガス等の不活性ガスの供給を開始する。これにより、反応炉２０内をＮ２ガスによりパージし、反応炉２０内に残留している残留ガスや反応生成物を除去する。また、原料部ヒータ２２ａおよび成長部ヒータ２２ｂによる反応炉２０内の加熱を停止し、反応炉２０内、および窒化物半導体ウエハを降温させる。
【００５１】
（基板搬出工程）
パージ工程が終了し、窒化物半導体ウエハが所定の温度まで降温したら、サセプタ３３から窒化物半導体ウエハを取り外し、ＨＶＰＥ装置１から窒化物半導体ウエハを搬出する。これにより、基板処理を終了する。
【００５２】
窒化物半導体ウエハを量産する場合、上述の工程を複数回繰り返す。量産の際には、内部タンク２５に収容される金属原料Ｍは基板処理により消費されることになるが、反応炉２０外に設けられる供給部１０から内部タンク２５に金属原料Ｍを供給することによって、ＨＶＰＥ装置１を停止することなく、連続的に基板処理を行うことができる。また、供給部１０が外部タンク１２、液面検出器１６および制御装置１７を備えることにより、内部タンク２５における金属原料Ｍの液面高さを所定値以上に維持することができる。これにより、窒化物半導体ウエハを量産するときに生じる金属塩化物ガスの生成効率の低下を抑制し、製造される複数の窒化物半導体ウエハの間での特性のバラつきを抑制することができる。
【００５３】
なお、窒化物半導体結晶を厚く成長させて窒化物半導体自立基板を製造する場合、上記窒化物半導体層形成工程において、原料ガスの供給時間を長くする。この場合においても、供給部１０から内部タンク２５に金属原料Ｍを供給できるため、窒化物半導体層をより厚く成長させることができる。また、供給部１０を外部タンク１２、液面検出器１６および制御装置１７で構成することにより、内部タンク２５における金属原料Ｍの液面高さを所定値以上に維持して、金属塩化物ガスの生成効率の低下を抑制することができる。これにより、厚く成長させた窒化物半導体層における厚さ方向での特性のバラつきを抑制することができる。
【００５４】
［２．他の実施形態］
上述の実施形態では、供給部１０が外部タンク１２を備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、外部タンク１２を省略し、内部タンク２５に設けられる第１の供給管１１の上流端に供給源１４を直接設けることもできる。この場合、第１の供給管１１にバルブ１５又は流量制御器（図示略）を設け、基板処理量や処理時間に応じて金属原料Ｍを内部タンク２５に供給することができる。これにより、反応炉２０を分解することなく、金属原料Ｍを供給できるため、基板処理を連続的に行うことができる。
【００５５】
また、上述の実施形態では、供給部１０において、供給源１４から外部タンク１２への金属原料Ｍの供給量がバルブ１５により制御される場合について説明をしたが、本発明はこれに限定されない。本発明では、バルブ１５の代わりに流量制御器（マスフローコントローラ）を用いることもできる。この場合、制御装置１７は、外部タンク１２に貯留する金属原料Ｍの液面高さが所定値を維持するように、マスフローコントローラを制御して供給源１４から外部タンク１２への金属原料Ｍの供給量を調整できる。
【符号の説明】
【００５６】
１  ハイドライド気相成長装置
１０  供給部
１１  第１の供給管
１２  外部タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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