(57)【要約】【課題】サセプタにガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦を抑制すること。【解決手段】反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口１２より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ２上に誘導し、サセプタ２上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ２とガス導入口１２の間に発熱体４を設ける。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現して運転することを特徴とするガスの導入と流れの制御方法。
【請求項２】
開口断面積の狭いガス導入口より、ほぼ垂直下方からほぼ上方へ向かってガスが導入され、その後、このガスが開口断面積のより広い空間を水平方向にサセプタ上に誘導される構造を有する有機金属気相成長結晶炉において、ガス導入口を通過した後のより広い空間で発生する剥がれ渦に対し、この剥がれ渦中心近傍に相当する水平位置からサセプタに至るまでの領域に対し、前記有機金属気相成長結晶炉の床板の一部分、あるいは全部を加熱することを特徴とする請求項１に記載のガスの導入と流れの制御方法。
【請求項３】
前記床板の加熱領域として、剥がれ渦中心近傍に相当する水平位置からサセプタに至る途中まで、とすることを特徴とする請求項１及び２に記載のガスの導入と流れの制御方法。
【請求項４】
前記床板の加熱温度は、前記サセプタの温度に比べて低いことを特徴とする請求項１、２及び３に記載のガスの導入と流れの制御方法。
【請求項５】
最適な前記床板の加熱条件が決定された後、炉内ガスの気圧が増加させた場合には、床板の加熱温度も高くすることを特徴とする請求項１〜４に記載のガスの導入と流れの制御方法。
【請求項６】
最適な前記床板の加熱条件が決定された後、炉内ガスをより粘性率の高いガスに変更した場合には、床板の加熱温度も高くすることを特徴とする請求項１〜４に記載のガスの導入と流れの制御方法。
【請求項７】
反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現して運転することを可能にする、対流型渦駆動発熱体を設置していることを特徴とするガスの導入と流れの制御装置。
【請求項８】
開口断面積の狭いガス導入口より、ほぼ垂直下方からほぼ上方へ向かってガスが導入され、その後、このガスが開口断面積のより広い空間を水平方向にサセプタ上に誘導される構造を有する有機金属気相成長結晶炉において、ガス導入口を通過した後のより広い空間で発生する剥がれ渦に対し、この渦中心近傍に相当する水平位置から、前記有機金属気相成長結晶炉の床板を加熱するための対流型渦駆動発水平熱体を設置ことを特徴とする請求項７に記載のガスの導入と流れの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現して運転することを特徴とするガスの導入と流れの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物である半導体は、ワイドギャップを有する直接遷移型半導体であり、遠赤外から紫外域の発光材料として、最も有望であると考えられる。これら、光半導体デバイスの材料となる、砒化ガリウムＧａＡｓ等の、結晶学的に優れた制作手法が求められている。ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、これを産業レベルで実現できる有力な手法として、各方面で研究開発が進められている。
【０００３】
例えば一般に用いられているＭＯＣＶＤ結晶炉を例にとると、その中を流れる原料ガスは、ガス流れの主流方向に対してほぼ垂直方向に細い幅を有するガス導入口より導入されたガスが、より広い幅を有する高温のサセプタ上に輸送される途中のガス導入路、及びサセプタ上において、ガス流れが渦の発生しない層流となり、サセプタ上において、流れの速度分布及び原料ガスの供給が空間的に一様になるようにすることが、優れた結晶成長を実現するために必要である。
【０００４】
図５の横断面図に示すように、開口断面積の狭いガス導入路１内を、ほぼ垂直下方からほぼ上方へ向かってガスが導入され、その後、直角部８の存在により、ほぼ直角に曲がりながら、このガスが開口断面積のより広い空間１０を水平方向にサセプタ２上に誘導される構造を有する有機金属気相成長結晶炉１１において、ガス導入路を通過した後に、運転パラメーターであるガス流速やガス圧力に依存して、炉壁内面に沿う流線が、ある剥離点において壁面から離れて下流に向かって延び、分離流線の作る曲面の内部は伴流、すなわち剥がれ渦３となる。換言すれば、壁面に沿って上流に向かう逆流が生じ、この逆流は剥離点の近傍で壁面から剥がれて分離流線を作る（非特許文献１参照）。
【０００５】
さて、この剥がれ渦の存在により、実質的な流路が狭められたり、変形させられたりすることにより、上記サセプタ上の流れの速度分布及び原料ガスの供給の空間的一様性が満たされなくなると同時に、原料ガスのはがれ渦内における滞留をもたらし、ある１つのガス原料から他のガス原料への速やかなスイッチングを妨げ、急峻な接合の実現に対して、しばしば好ましくない影響がもたらされる。
【０００６】
上記課題を解決するためには、図６に示すように、細い幅のガス導入口から開口断面積のより広い空間１０に至る直角部８を、曲線部９に変え、ゆるやかに広げていく方法が提案されている。理想的には、その広がり角度αを７度程度以下に抑えることが望ましい（例えば、非特許文献２）。さらに、図７に示すように、空間１０の高さを極力低くし、剥がれ渦の発生を押さえ込む方法が取られていた。
【０００７】
【非特許文献１】
巽　友正著、流体力学、培風館
【非特許文献２】
著者Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ、書名　Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ、　出版社Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、細い幅のガス導入口から開口断面積のより広い空間１０に至る直角部８を、曲線部９に変え、ゆるやかに広げていく方法を採用しても、剥がれ渦は小さくなるものの、完全に消滅させることは困難である。特に、広がり角度を７度程度以下に抑えながら、ゆるやかに広げていくと、ガス導入路１の長さが非常に長くなり、設置スペースがとられること、こわれやすくなること、あるいは操作しにくくなること等の、設置上及び運用上の課題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現して運転することを特徴とするガスの導入と流れの制御方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明のガスの導入と流れの制御方法およびその装置においては、以下のような手段を用いる。
【００１１】
すなわち、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスを、開口断面積の狭いガス導入口より導入し、これを、開口断面積のより広い、化学反応を生起するに十分な高温のサセプタ上に誘導し、サセプタ上に設置したウエハー上において化学反応に由来する所望の堆積膜を堆積させることを目的とした有機金属気相成長結晶炉において、サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現する。
【００１２】
サセプタ上に前記ガスを誘導する途中において発生する剥がれ渦の流れ回転方向と逆向きの流れ回転を有する対流型渦を、前記剥がれ渦の近傍に誘起させることにより、前記剥がれ渦に伴う回転流と前記対流型渦に伴う回転流とをお互いに相殺させ、前記剥がれ渦を軽減もしくは解消させ、渦のない滑らかな流れを実現する１つの手段としては、サセプタとガス導入口の間に発熱体を設けることを挙げることができる。
【００１３】
本発明は上述した構成によって、ある１つのガス原料から他のガス原料への速やかなスイッチングと、これによる急峻な接合が実現され、またウエハー上に堆積する膜厚の空間分布が一様となるようにすることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第一の実施例である、ガスの導入と流れの制御方法について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明のガスの導入と流れの制御方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図である。炉本体はおおよそ円柱状をしており、対称中心軸２０を通る断面について、その右半分のみが示されている。結晶炉本体は、後述するサセプタやウエハー等を除いて実質的にステンレススチールで作られている。この結晶炉本体は側壁、上壁、下壁で構成され、反応させるべき原料ガス及びこれを搬送するガスは、図の下部のガス導入口１２から供給され、対称中心軸２０を通るガス導入路１を経由して上方へ流れ、広い円柱状の空間１０に至り、空間１０内を半径の外側方向へ向かって水平に移動し、水平発熱体４、及び高温のサセプタ２の上を通り、図の右側のガス流出口から排気される。図には、ガス流出口は描かれていない。
【００１６】
ガス導入口からは、水素とこの水素で希釈されたトリメチルガリウム及びアルシンが、流速６０ｍ／秒で供給され、サセプタ２上でガス平均流速がほぼ１．０ｍ／秒となるように調整されている。結晶炉内圧力は０．１気圧になるように調整されている。本体下流部に設置されている高温のサセプタ２上にウエハーが設置されている。ガス導入口及びサセプタ上における圧力、流速及び流量は、それぞれ圧力計、流速計及び流量計によりモニターされている。サセプタの上流側に、サセプタと接して水平発熱体４が設置されている。水平発熱体４の上流側先端位置は、この水平発熱体４がない場合に発生する剥がれ渦の中心近傍になるように調整した。サセプタ２及び水平発熱体４の温度は、それぞれ７００℃、及び４５０℃に設定したが、サセプタ２の温度が水平発熱体４の温度より大きければ良い。ただし、あまりにも水平発熱体４の温度が高いと、水平発熱体４の直上で原料ガスが分解してしまう。そのため、サセプタ２の温度は５００℃以上１２００℃以下、水平発熱体４の温度は１００℃以上４５０℃以下が好ましい。サセプタ２の温度と水平発熱体４の温度との差は５０℃以上が好ましく、１００℃以上がより好ましく、１５０℃以上がさらにより好ましい。
【００１７】
流線６０が示すように、サセプタより上流側では若干流線が屈曲しおているもの、剥がれ渦が消え、サセプタ上においては、一様な流れが実現されている。サセプタ上に設置されたウエハー上おいて、流線６０が示す流れの速度分布、温度分布及び成長膜厚分布は、空間的にほぼ一様となった。
【００１８】
このように、サセプタの上流側に、サセプタと接して水平発熱体４を設置することにより、剥がれ渦が縮小あるいは消滅するメカニズムについて説明する。図２は、剥がれ渦は考えずに、水平発熱体４を設置することにより発生する対流型渦５のみを描いている。対流型渦５の流れ回転方向は、矢印で示したように反時計回りとなる。一方、図４〜６に示されるように、本横形有機金属気相成長結晶炉の構成では、発生する剥がれ渦３の流れ回転方向は、矢印で示したように時計回りとなる。図３に示すように、これら２つの剥がれ渦３と対流型渦５とを同時に発生させた場合には、剥がれ渦に伴う回転流と対流型渦に伴う回転流がお互いに相殺し、この結果、剥がれ渦が軽減もしくは解消し、渦のない滑らかな流れが実現されることになる。
【００１９】
以下本発明の第二の実施例である、ガスの導入と流れの制御方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図４は本発明のガスの導入と流れの制御方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図である。横断面図が示されている。第一の実施例との違いは、水平発熱体４の水平方向の長さを短くしたことである。すなわち、、水平発熱体４の上流側先端位置は、同様に、この水平発熱体４がない場合に発生する剥がれ渦の中心近傍になるようにしているが、下流側位置は、サセプタ２とは接していない。すなわち、水平発熱体４とサセプタの間に、発熱部は存在しない。この場合にも、上流側では若干流線が屈曲しているもの、剥がれ渦が消え、サセプタ上においては、一様な流れが実現されている。サセプタ上に設置されたウエハー上おいて、流線６０、流れの速度分布、温度分布及び成長膜厚分布は、空間的にほぼ一様となった。
【００２１】
なお、水平発熱体４の最適な加熱条件が決定された後、炉内ガスの気圧を増加させた場合には、剥がれ渦は大きくなるので、これを抑えるために、水平発熱体４の加熱温度も高くすることが有効である。さらに、水平発熱体４の最適な加熱条件が決定された後、炉内ガスをより粘性率の高いガスに変更した場合には、剥がれ渦は大きくなるので、これを抑えるために、水平発熱体４の加熱温度も高くすることが有効である。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスの導入と流れの制御方法を用いることにより、ガス流れの主流方向に対してほぼ垂直方向に細い幅を有するガス導入口より導入されたガスが、より広い幅を有する炉空間に輸送される途中において、ガス流れが剥がれ渦の発生しない層流となり、サセプタ上において、流れの速度分布及び原料ガスの供給が空間的に一様になる流れを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるガスの導入と流れの制御方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図
【図２】本発明の第１の実施例におけるガスの導入と流れの制御方法に対し、サセプタの上流側に、サセプタと接して水平発熱体４を設置することにより、剥がれ渦が縮小あるいは消滅するメカニズムについて説明した補足図
【図３】本発明の第１の実施例におけるガスの導入と流れの制御方法に対し、サセプタの上流側に、サセプタと接して水平発熱体４を設置することにより、剥がれ渦が縮小あるいは消滅するメカニズムについて説明した補足図
【図４】本発明の第２の実施例におけるガスの導入と流れの制御方法を、横形有機金属気相成長結晶炉に適用した構成図
【図５】本課題の具体的な内容を、説明した図
【図６】本課題の解決策に対する従来の第一の解決例を示す図
【図７】本課題の解決策に対する従来の第二の解決例を示す図
【符号の説明】
１　ガス導入路
２　サセプタ
３　剥がれ渦
４　水平発熱体
５　対流型渦
８　垂直部
９　曲線部
１０　炉空間
１１　結晶成長炉
１２　ガス導入口
２０　対称中心軸
６０　流線
【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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