(57)【要約】【課題】半導体薄膜の成長速度の向上が図られた気相成長装置及び気相成長方法を提供する。【解決手段】本発明に係る気相成長装置１０は、筐体１２と、筐体１２内に設けられ、基板２４を設置するためのホルダ２２と、ホルダ２２に設置された基板２４の面２２ａ方向に、該ホルダ２２を回転させる回転軸２０と、ホルダ２２の回転速度が増加したときに、筐体１２内を減圧する圧力調整器１６とを備えることを特徴とする。この気相成長装置１０においては、ホルダ２２の回転速度が増加したときに、圧力調整器１６で筐体１２内を減圧する。すなわち、ホルダ２２の回転速度の増加に伴って、筐体１２内に送られる材料ガスの流れが乱れても、圧力調整器１６で筐体１２内の圧力を低くしてその乱れを抑制する。それにより、ホルダ２２の回転速度を増加した場合であっても、半導体薄膜の厚さの均一化が図られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体内に設けられ、基板を設置するためのホルダと、
前記ホルダに設置された基板の面方向に、該ホルダを回転させる回転軸と、
前記ホルダの回転速度が増加したときに、前記筐体内を減圧する減圧器とを備えることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記減圧器には、前記ホルダの回転速度から該回転速度に対応する臨界圧力を導出するデータが格納されており、
前記減圧器は、導出した臨界圧力に基づいて前記筐体内を減圧す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】
前記データは、前記ホルダの回転速度をＶ、前記筐体内の圧力をＰとすると、
ＰＶ＝ｋ（ｋ：定数）
で示される関係式であることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
筐体と、
前記筐体内に設けられ、基板を設置するためのホルダと、
前記ホルダに設置された基板の面方向に、該ホルダを回転させる回転軸と、
前記筐体内の圧力を減圧する減圧器とを備える気相成長装置を用いて、前記基板上に半導体薄膜を形成する気相成長方法であって、
前記ホルダの回転速度が増加したときに、前記減圧器によって前記筐体内を減圧することを特徴とする気相成長方法。
【請求項５】
前記減圧器には、前記ホルダの回転速度から該回転速度に対応する臨界圧力を導出するデータが格納されており、
前記半導体薄膜を形成する際、前記減圧器が、導出した臨界圧力に基づいて前記筐体内を減圧することを特徴とする請求項４に記載の気相成長方法。
【請求項６】
前記データは、前記ホルダの回転速度をＶ、前記筐体内の圧力をＰとすると、
ＰＶ＝ｋ（ｋ：定数）
で示される関係式であることを特徴とする請求項５に記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に半導体薄膜を積層させる気相成長装置及び気相成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＡｓやＩｎＰ等からなる基板上に半導体薄膜を気相成長させる技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、この分野における代表的な気相成長装置が開示されている。この気相成長装置は、筐体内に、基板を設置するためのホルダと、ホルダ上の基板に向けて材料ガスを噴射するインジェクタとを備えている。そして、ホルダを基板面方向に回転させながら、インジェクタから材料ガスを噴射することにより、基板上に厚さが均一な半導体薄膜が形成される。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５０６８０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の気相成長装置には、次のような課題が存在している。すなわち、半導体薄膜の成長速度を増加する方法の一つとして、ホルダの回転速度を増加する方法が考えられるが、ホルダの回転速度を単に増加しただけでは材料ガスの流れが乱れて、半導体薄膜の厚さが不均一になってしまうという問題があった。したがって、ホルダの回転速度を増加することで半導体薄膜の成長速度を向上することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、半導体薄膜の成長速度の向上が図られた気相成長装置及び気相成長方法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】
発明者は、気相成長装置の筐体内を減圧すれば、基板を設置するホルダの回転速度を高くしても材料ガスの流れが乱れないことを見出した。更に、その材料ガスの流れが乱れない圧力の最大値（以下、「臨界圧力」と称す。）は、ホルダの回転速度と反比例の関係にあることを見出した。
【０００７】
そこで、本発明に係る気相成長装置は、筐体と、筐体内に設けられ、基板を設置するためのホルダと、ホルダに設置された基板の面方向に、該ホルダを回転させる回転軸と、ホルダの回転速度が増加したときに、筐体内を減圧する減圧器とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この気相成長装置においては、ホルダの回転速度が増加したときに、減圧器で筐体内を減圧する。すなわち、ホルダの回転速度の増加に伴って、筐体内に送られる材料ガスの流れが乱れても、減圧器で筐体内の圧力を低くしてその乱れを抑制する。それにより、ホルダの回転速度を増加した場合であっても、半導体薄膜の厚さの均一化が図られる。
【０００９】
また、減圧器には、ホルダの回転速度から該回転速度に対応する臨界圧力（材料ガスの流れが乱れない圧力の最大値）を導出するデータが格納されており、減圧器は、導出した臨界圧力に基づいて筐体内を減圧することが好ましい。このように、減圧器に格納されたデータに基づいて、臨界圧力が導出されると、減圧器で筐体内の圧力を臨界圧力より低くすることにより、より確実に材料ガスの流れの乱れを抑制することができる。
【００１０】
また、データは、ホルダの回転速度をＶ、筐体内の圧力をＰとすると、
ＰＶ＝ｋ（ｋ：定数）
で示される関係式であることが好ましい。すなわち、ホルダの回転速度（Ｖ）と筐体内の圧力（Ｐ）とは反比例の関係にあり、一度反比例の定数（ｋ）を求めることにより、所定の回転速度における臨界圧力を算出することができる。
【００１１】
本発明に係る気相成長方法は、筐体と、筐体内に設けられ、基板を設置するためのホルダと、ホルダに設置された基板の面方向に、該ホルダを回転させる回転軸と、筐体内の圧力を減圧する減圧器とを備える気相成長装置を用いて、基板上に半導体薄膜を形成する気相成長方法であって、ホルダの回転速度が増加したときに、減圧器によって筐体内を減圧することを特徴とする。
【００１２】
この気相成長方法においては、ホルダの回転速度が増加したときに、減圧器で筐体内を減圧する。すなわち、ホルダの回転速度の増加に伴って、筐体内に送られる材料ガスの流れが乱れても、減圧器で筐体内の圧力を低くしてその乱れを抑制する。それにより、ホルダの回転速度を増加した場合であっても、半導体薄膜の厚さの均一化が図られる。
【００１３】
また、減圧器には、ホルダの回転速度から該回転速度に対応する臨界圧力（材料ガスの流れが乱れない圧力の最大値）を導出するデータが格納されており、半導体薄膜を形成する際、減圧器が、導出した臨界圧力に基づいて筐体内を減圧することが好ましい。このように、減圧器に格納されたデータに基づいて、臨界圧力が導出されると、減圧器で筐体内の圧力を臨界圧力より低くすることにより、より確実に材料ガスの流れの乱れを抑制することができる。
【００１４】
また、データは、ホルダの回転速度をＶ、筐体内の圧力をＰとすると、
ＰＶ＝ｋ（ｋ：定数）
で示される関係式であることが好ましい。すなわち、ホルダの回転速度（Ｖ）と筐体内の圧力（Ｐ）とは反比例の関係にあり、一度反比例の定数（ｋ）を求めることにより、所定の回転速度における臨界圧力を算出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る気相成長装置及び気相成長方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、気相成長装置１０は、水冷外壁としての略円柱形状の筐体（ＳＵＳ製）１２を有している。この筐体１２の上面には、複数の原料供給口１４が設けられており、下面には圧力調整器（減圧器）１６が設けられている。圧力調整器１６は、減圧ポンプ１７及び制御部１８で構成されており、筐体１２内圧力を所定圧力まで低下（減圧）させる機能と、筐体１２内圧力を測定する機能とを有し、また適宜排気をおこなうことができる。原料供給口１４からは、半導体薄膜の材料（例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス等）が筐体１２内へ供給される。
【００１７】
筐体１２内には、筐体１２外部のモータ１９に回転接続された回転軸２０が突出しており、その端部２０ａには軸方向に直交する円板状ホルダ（例えば、ＳｉＣコートしたカーボン製）２２が取り付けられている。回転軸２０の端部２０ａは、ホルダ２２の下面２２ｂ中央部に固定されており、回転軸２０の回転によりホルダ２２はその上面２２ａ（下面２２ｂ）の面方向に回転する。ホルダ２２の上面２２ａには、基板２４が搭載される。この基板２４には、例えば、ＧａＡｓ基板やＧａＮ基板、ＩｎＰ基板など、気相成長に適した各種基板が採用される。
【００１８】
また、ホルダ２２の下面２２ｂは、ホルダ２２を加熱するヒータ２６が複数配置されている。このヒータ２６でホルダ２２を下方から加熱して、基板温度を調整することにより、適切な基板温度で基板２４上に半導体薄膜を気相成長させることができる。なお、符号２８は、原料供給口１４から送出される複数種類のガスが基板２４に到達する前に、それらのガスの偏在を抑制するためのメッシュ部材である。
【００１９】
次に、ホルダ２２の回転速度が、材料ガスの流れに及ぼす影響について説明する。発明者は、気相成長装置１０の筐体１２内の圧力を低下させれば、基板２４を設置するホルダ２２の回転速度を高くしても材料ガスの流れが乱れないことを見出した。そこで、図２に示したガス流観測装置３０を用いて、ホルダ２２の回転速度と筐体１２内の圧力の関係を調べる実験をおこなった。以下、この実験について詳説する。
【００２０】
ガス流観測装置３０は、可視ガス発生部３２と本体部３４とで構成されている。可視ガス発生部３２は、２本のガス注入パイプ３６，３６を有しており、一方のガス注入パイプ３６はＨ２Ｏが入れられた第１貯留槽３８の内部まで延びており、もう一方のガス注入パイプ３６はＴｉＣｌ４が入れられた第２貯留槽４０の内部まで延びている。２本のガス注入パイプ３６，３６には、それぞれ流量調整バルブ４２及び流量計４４が取り付けられており、注入するガスの流量を所定の流量（例えば、１０ｓｃｃｍ）に容易に調整することができる。
【００２１】
また、第１貯留槽３８及び第２貯留槽４０は、それぞれ圧送パイプ４６を介して混合槽４８とつながっており、第１貯留槽３８及び第２貯留槽４０から送出されるガスはこの混合槽４８で混合される。混合されたガスのうち、一部は可視化したガスとして噴出パイプ５０を介して本体部３４内部に送られ、残りのガスは排気パイプ５２より排出される。なお、噴出パイプ５０の本体部側端部には、図３に示す噴出ノズル５４が取り付けられている。この噴出ノズル５４は、本体部側５４ａが閉口された円筒状であり、円筒部５４ｂには複数（例えば、１０個）の小孔５６が設けられている。なお、この噴出ノズル５４の外径及び内径は、それぞれ３ｍｍ、２ｍｍであり、断面円形の小孔の径は０．３ｍｍである。
【００２２】
図２に戻って、本体部３４は、上述した気相成長装置１０と略同様の構成であり、筐体１２の一部を形成するように観察窓５８が設けられている点、ホルダ２２と略水平な位置から筐体１２内へ光を照射する光照射部６０が設けられている点で気相成長装置１０と異なる。
【００２３】
このような可視ガス発生部３２及び本体部３４で構成されたガス流観測装置３０においては、まずキャリアガスとしてのＮ２ガスを両ガス注入パイプ３６から注入する。それにより、第１貯留槽３８からは、Ｈ２Ｏを含むガスが圧送パイプ４６を介して混合槽４８に送られ、第２貯留槽４０からは、ＴｉＣｌ４を含むガスが圧送パイプ４６を介して混合槽４８に送られる。そして、混合槽４８においてＨ２Ｏ及びＴｉＣｌ４を反応させる。この反応により発生したＴｉＯ２を含むガス（可視化したガス）は、噴出パイプ５０に取り付けられた噴出ノズル５４の小孔５６から噴出される。小孔５６からの噴出ガスの流量が多く、それ自体が流れを乱す場合は、排気パイプ５２の流量調整バルブ５２ａの開度を調整し、小孔５６からの噴出ガスの流量を少なくする。
【００２４】
上述したガス流観測装置３０を用いて、いくつかのホルダ回転速度について、圧力調整器１６で筐体１２を減圧しつつ可視化したガスの流れを観察した。すなわち、ホルダ２２をある回転速度で回転させ、噴出ノズル５４からホルダ２２の周りへ噴出される可視化したガスが、乱れている状態（部分的に循環的な流れが発生している状態）（図４参照）から、整然と圧力調整器１６まで流れる状態（図５参照）へと遷移する臨界圧力を圧力調整器１６で測定した。より具体的には、光照射部６０で筐体１２内を照らしつつ、観察窓５８から可視化したガスの流れを観察し、流れが変化したときの圧力を圧力調整器１６で測定した。その測定結果を図６のグラフに示す。このグラフの横軸はホルダ２２の回転速度（ｒｐｍ）であり、縦軸は臨界圧力（ｋＰａ）である。このグラフからわかるように、ホルダ２２の回転速度（Ｐ）と臨界圧力（Ｖ）とは略反比例の関係にある。すなわち、
ＰＶ＝ｋ（ｋ：定数）
の式で表される。
【００２５】
以上の実験により、気相成長装置１０の筐体１２内の圧力を低下させると、基板２４を設置するホルダ２２の回転速度を高くしても材料ガスの流れが乱れないことが確かめられた。また、発明者は、臨界圧力は、ホルダ２２の回転速度と反比例の関係にあることを見出した。したがって、一度反比例の定数（例えば、ｋ＝９３８６）を求めることにより、所定の回転速度における臨界圧力を算出することができる。
【００２６】
そのため、図１に示したように、気相成長装置１０の圧力調整器１６を設け、この圧力調整器１６が、回転軸２０の回転速度を検出すると共に、その回転速度に応じた筐体内圧力に調整することにより、材料ガスの流れの乱れが抑制され、半導体薄膜の厚さの均一化が図られる。このとき、筐体内圧力を臨界圧力より少しだけ低くする（例えば、１０００Ｐａだけ低くする）ことにより、必要以上に筐体内圧力を下げ過ぎることを回避でき、より効率的に気相成長がおこなわれる。また、筐体内圧力を調整しない場合であっても、そのときの圧力において材料ガスの流れが乱れない最大の回転速度でホルダを回転させることで、より短い時間で基板２４上に厚さ均一な半導体薄膜を形成することができる。
【００２７】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る気相成長装置１０においては、基板２４が設置されたホルダ２２の回転速度が増加した場合であっても、その回転速度の臨界圧力を越えないように筐体１２内の圧力を圧力調整器１６で減圧することにより、原料供給口１４から供給される材料ガスの流れの乱れが抑制される。それにより、基板２４上に形成される半導体薄膜の厚さの均一化が図られる。したがって、半導体薄膜の質を維持しつつ、ホルダ２２の回転速度の向上が図れるため、より短時間で半導体薄膜を形成することができる。
【００２８】
また、基板２４上に供給される材料ガスの流れの乱れが抑制されて、材料ガスの循環的な流れが抑制されることに伴い、材料ガスの滞留時間が短縮される。したがって、筐体１２内に供給するガスの種類や量を変化させた場合に、その筐体１２内の雰囲気を短時間で変化させることができる。それにより、基板２４上にヘテロ層を形成する場合に、そのヘテロ接合界面における層変化を急峻（明瞭）にすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体薄膜の成長速度の向上が図られた気相成長装置及び気相成長方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る気相成長装置を示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガス流観測装置３０を示した図である。
【図３】図２の噴出ノズルの拡大図である。
【図４】筐体内において可視化したガスが乱れている状態を説明するための図である。
【図５】筐体内において可視化したガスが整然と流れる状態を説明するための図である。
【図６】ホルダの回転速度と臨界圧力との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０…気相成長装置、１２…筐体、１６…圧力調整器、２０…回転軸、２２…ホルダ、２４…基板。
【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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