(57)【要約】【課題】フローライナー内壁面への反応生成物（膜）の付着を防止し、フローライナーの洗浄回数を削減するとともに、フローライナーに付着した反応生成物（膜）によるフローライナーの歪みや変形を防止することにより、装置の安定運転を期待でき、生産性の向上を図れる気相成長装置を提供する。【解決手段】フローライナー１１を通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記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１１の外壁面に向けて冷却ガスを吹き付けるガス吹付手段（ガス吹付器２１）を設ける。あるいは、フローライナー内に冷却ガスを導入するための多数のピンホールを有する冷却ガス導入部を設ける。【選択図】　　図１
2004071883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローライナーを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記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向けて冷却ガスを吹き付けるガス吹付手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記ガス吹付手段は、前記ガス流路の外壁面に向けて冷却ガスを噴出する多数のガス噴出口を備えていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記ガス噴出口は、ハニカム構造を有していることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記ガス吹付手段は、冷却ガスを冷媒によって冷却するガス冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記ガス吹付手段は、前記基板面に対向するフローライナーの天井部に冷却ガスを吹き付けるように設けられていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項６】
フローライナーを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記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壁体に、該フローライナー内に冷却ガスを導入するための冷却ガス導入部を設けたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項７】
前記冷却ガス導入部は、直径１ｍｍ以下の通孔を多数設けたものであることを特徴とする請求項６記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記冷却ガス導入部は、前記基板面に対向するフローライナーの天井部に設けられていることを特徴とする請求項６記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、気相成長ガスを基板面と平行に流して基板の表面に半導体薄膜を形成する横型の気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
横型フロー式の半導体製造装置（横型気相成長装置）は、一般に、石英ガラス等で製造された反応管（リアクタ）内に、同じく石英ガラス等で製造されたフローライナーを設置し、このフローライナーを介して原料ガス導入ノズルから導入される原料ガスを基板面に平行な方向に流し、あらかじめ設定された温度に加熱されている加熱領域、基板領域で原料ガスを熱分解させることによって基板面に半導体薄膜を成長（エピタキシャル成長）させるように形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような横型気相成長装置では、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、特に、基板に対向する天井部が高温に加熱されるため、フローライナーの近傍でも原料ガスの熱分解が発生し、反応生成物がフローライナーの内壁面に付着する。
【０００４】
フローライナー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物（反応生成物）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、基板面や膜を汚染する原因となるので、従来は、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。このため、装置の稼働効率が低下し、生産性を悪化させる原因となっていた。
【０００６】
そこで本発明は、フローライナー内壁面への反応生成物（膜）の付着を防止し、フローライナーの洗浄回数を削減するとともに、フローライナーに付着した反応生成物（膜）によるフローライナーの歪みや変形を防止することにより、装置の安定運転を期待でき、生産性の向上を図れる気相成長装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、第１の構成として、フローライナーを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記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向けて冷却ガスを吹き付けるガス吹付手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
さらに、上記構成において、前記ガス吹付手段は、前記ガス流路の外壁面に向けて冷却ガスを噴出する多数のガス噴出口を備え、特に、該ガス噴出口がハニカム構造を有していることを特徴とし、加えて、前記ガス吹付手段は、冷却ガスを冷媒によって冷却するガス冷却手段を備えていること、前記ガス吹付手段は、前記基板面に対向するフローライナーの天井部に冷却ガスを吹き付けるように設けられていることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の気相成長装置の第２の構成は、フローライナーを通して基板面に平行な方向に原料ガスを供給し、前記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壁体に、該フローライナー内に冷却ガスを導入するための冷却ガス導入部を設けたことを特徴としている。
【００１０】
さらに、上記構成において、前記冷却ガス導入部が、直径１ｍｍ以下の通孔を多数設けたものであること、また、前記冷却ガス導入部が前記基板面に対向するフローライナーの天井部に設けられていることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は気相成長装置の一部断面系統図、図２は要部の平面図である。本形態例に示す気相成長装置は、フローライナー１１の一端に設けた原料ガス導入ノズル１２から原料ガスを基板１３に向けて水平方向に、すなわち、基板面に対して平行に供給することにより、基板面に半導体薄膜を気相成長させるものである。なお、前記フローライナー１１は、一般に石英ガラス、サファイア、窒化物、ステンレス鋼等により形成されている。
【００１２】
前記基板１３は、ヒーターを備えたサセプタ１４の上面に載置されており、サセプタ１４を介した熱伝導によってあらかじめ設定された温度に加熱される。また、基板１３やサセプタ１４からの輻射により、基板設置部周囲のフローライナー１１も高温に加熱された状態となる。特に、基板１３やサセプタ１４に対向するフローライナー１１の天井部１１ａが高温に加熱される。
【００１３】
前記原料ガス導入ノズル１２には、原料ガスライン５１，５２やパージガスライン５３が接続されており、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を製造する際には、原料ガスライン５１には、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等や、ドーピングガスであるビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）のＩＩＩ族原料が接続され、原料ガスライン５２には、アンモニア（ＮＨ３）のようなＶ族原料ガスが接続されている。なお、原料ガスライン５１にはキャリアガスライン５４が接続されており、各原料ガスは、キャリアガスに同伴されて原料ガス導入ノズル１２に供給される。また、前記パージガスライン５３及びキャリアガスライン５４には、窒素や水素がパージガス又はキャリアガスとして供給される。
【００１４】
原料ガス導入ノズル１２からフローライナー１１の内部に導入された原料ガスは、加熱された基板１３の近傍で熱分解することにより、基板面に堆積して半導体薄膜を形成するとともに、フローライナー１１の高温部分、特に前記天井部１１ａの近傍で熱分解反応を生じ、フローライナー１１の内壁面に反応生成物が付着する。
【００１５】
このため、本形態例では、前記フローライナー１１の上方にガス吹付手段としてのガス吹付器２１を設置し、このガス吹付器２１から冷却ガスをフローライナー１１に吹き付けてフローライナー１１を冷却することにより、フローライナー壁面近傍での原料ガスの熱分解反応を抑制して壁面に反応生成物が付着しないようにしている。
【００１６】
ガス吹付器２１は、冷却ガス供給経路２２に接続したガス導入部２３と、冷却ガスをより低い温度に冷却するためのガス冷却手段であるガス冷却部２４と、冷却ガスをフローライナー外壁面に向けて噴出するガス噴出部２５とにより形成されている。これらは、ステンレス鋼、石英ガラス、黄銅、アルミニウム等により形成することができる。
【００１７】
ガス冷却部２４は、ガス導入部２３からガス噴出部２５に向かって冷却ガスが流れるガス流路２６と、冷媒経路２７から供給される冷媒が流れる冷媒流路２７とを有しており、ガス流路２６を流れる冷却ガスと冷媒流路２７を流れる冷媒とを間接熱交換させることによって冷却ガスを冷却する。
【００１８】
ガス噴出部２５は、フローライナー１１の外壁面方向に多数の噴出口２８を設けたものであって、該噴出口２８から噴出した冷却ガスによってフローライナー外壁面の広い範囲を均等に冷却できるように形成されている。噴出口２８の構造は、冷却ガスを吹き付ける範囲や噴出量等の条件に応じて適当に選択することができ、例えば、多数の小通路を有するハニカム構造を採用したり、多孔板を使用したりすることができるが、噴出方向をある程度規制できるハニカム構造が最適である。
【００１９】
各噴出口２８の口径は、０．５〜３ｍｍの範囲が適当であり、小さくしすぎると十分な冷却ガスを吹き出すことが困難となり、大きくしすぎると冷却効率が低下する。さらに、この噴出口２８とフローライナー外壁面との距離は任意であり、冷却ガス量等に応じて適当に設定すればよいが、吹き出した冷却ガスの拡散を考慮すると、１０〜１００ｍｍの範囲が適当である。また、冷却ガス吹出方向は、フローライナー外壁面の垂線（法線）に対して±３０度の範囲が適当である。
【００２０】
さらに、フローライナー外壁面への冷却ガス吹付状態を最適化するため、噴出口２８にルーバー等を設けて各噴出口２８からの噴出方向を調節したり、ガス噴出部２５の中央部と周辺部、あるいは、原料ガス流れ方向上流側と下流側等で、温度分布に応じて噴出口２８の設置密度や口径を変えたりすることもできる。
【００２１】
また、ガス噴出部２５は、フローライナー外壁面に対応させた形状に形成することができ、冷却対象となるフローライナー１１の外壁面が平面の場合には、ガス噴出部２５における外壁面対向部分を平面状とすればよい。一方、フローライナー外壁面が湾曲している場合には、ガス噴出部２５を、これに対応した湾曲形状に形成してもよく、平面状のガス噴出部２５を湾曲面に沿うようにして複数個を並べるようにしてもよい。
【００２２】
さらに、ガス吹付器２１は、フローライナー１１の全体に冷却ガスを吹き付けるように形成したり、複数個のガス吹付器２１をフローライナー１１の周囲に適当に並べて配置したりしてもよいが、反応生成物が付着し易い位置や、付着した反応生成物が基板面や膜を汚染する原因となり易い位置を集中的に冷却するように配置するだけでもよい。例えば、基板１３等からの輻射によって高温になりやすく、かつ、付着した反応生成物が剥がれて基板面に落下する可能性が高い前記天井部１１ａを十分に冷却できるように配置するだけでも十分な効果を得ることができる。
【００２３】
前記冷却ガスには、気相成長装置のパージガスとして用いられているガス、例えば窒素や水素を使用することができ、アルゴン等の不活性ガスも使用できる。フローライナー１１に吹き付ける冷却ガスの流量や温度は、フローライナー１１における冷却対象部位の受熱量や冷却目標温度、さらに、フローライナー１１の材質等の条件に応じて設定すればよく、冷却ガスの温度は、前記ガス冷却部２４に供給する冷媒の温度及び流量を調節することによって任意に設定することが可能である。例えば、ガス冷却部２４に水やブライン等の液体冷媒を適当な温度で供給することにより、冷却ガスを−２０〜＋３０℃程度の範囲に容易に調節することができる。なお、適当な温度の冷却ガスを十分に得られる場合は、ガス冷却部２４を省略することができる。
【００２４】
冷却ガスは、成膜操作において、ヒーターによる基板の昇温開始と同時に供給し、フローライナー１１の昇温をできるだけ抑制することが好ましい。冷却目標温度は、成膜用の原料ガスの種類、その熱分解温度に応じて設定することができ、例えば、フローライナー１１の壁面温度が、前記熱分解温度よりも１００℃以上低い温度になるように設定すればよい。
【００２５】
図３は、本発明の気相成長装置の第２形態例を系統図である。なお、前記第１形態例に示した気相成長装置と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
本形態例では、フローライナー１１内に冷却ガスを導入するための冷却ガス導入部３１を設けることにより、フローライナー１１の壁面を冷却して壁面近傍における原料ガスの熱分解反応を抑制するとともに、冷却ガスの流れによって内壁面への反応生成物の付着も防止するようにしている。冷却ガス導入部３１は、フローライナー１１の壁体に、直径１ｍｍ以下の通孔（ピンホール）３２を多数設けたものであって、フローライナー１１内外の圧力差によってフローライナー１１内に冷却ガス、例えば窒素や水素等のパージガスを導入するようにしている。
【００２７】
冷却ガス導入部３１から導入する冷却ガスの流量や流速は、フローライナー１１内外における圧力差やピンホール３２の設置状態及び径を調節することにより、フローライナー１１内における原料ガスの流れを乱すことがないようにするとともに、ピンホール３２からフローライナー１１内に流入した後、フローライナー内壁面に沿って流れるように設定する。
【００２８】
これにより、フローライナーの内壁面を冷却ガスの薄い層で覆った状態にできるため、冷却ガスの温度を低くしておくことによってフローライナー内壁面を冷却して壁面近傍における原料ガスの熱分解反応を抑制するとともに、熱分解反応が生じたとしても、冷却ガスの薄い層によって反応生成物がフローライナー内壁面に付着することを防止できる。
【００２９】
なお、フローライナー１１の基板側壁面（底板部）にも冷却ガス導入部３１を設けることは可能であるが、冷却ガスの導入量等を、基板１３への反応生成物の堆積、即ち半導体薄膜の気相成長を妨げない範囲に設定する必要がある。また、前記第１形態例で示したガス吹付器２１と、本形態例に示す冷却ガス導入部３１とを併用することも可能であり、例えば、ガス吹付器２１で吹き付けた冷却ガスの一部を冷却ガス導入部３１からフローライナー１１内に導入したり、フローライナー１１の天井部を冷却ガス導入部３１により冷却し、側壁部と底板部とをガス吹付器２１で冷却するようにしたりしてもよい。さらに、冷却ガス導入部３１の部分や全体を二重管構造に形成して冷却ガスを供給するようにしてもよい。
【００３０】
また、各形態例では、基板をフローライナーの底部に、基板面を上方に向けて設置した例を示したが、基板の設置状態はこれに限るものではなく、例えば、フローライナー天井部に基板面を下方に向けて設置することもでき、基板の設置位置に応じてフローライナーの冷却位置を適当に設定することができる。
【００３１】
【実施例】
実施例１
前記第１形態例で示した気相成長装置を使用し、ガス吹付器２１の効果を確認する実験を行った。フローライナー１１は、石英ガラス製で幅２００ｍｍ、高さ１５ｍｍの原料ガス流路を有するものであって、原料ガス導入ノズル１２の内径は４ｍｍである。ガス吹付器２１は、平面寸法が縦横約２００ｍｍの正方形状で、口径１ｍｍの噴出口２８を５ｍｍ間隔に配置したものを、各噴出口２８の先端とフローライナー外壁面との距離が２０ｍｍになるようにして中心が基板中心と一致するように配置し、フローライナー外壁面の垂線方向に冷却ガスを吹き出すようにした。
【００３２】
原料ガスライン５１から成膜条件に応じた原料ガスを総流量２ＳＬＭで、原料ガスライン５２からアンモニアを１０ＳＬＭで、キャリアガスライン５４から窒素を３０ＳＬＭで、それぞれ供給して成膜操作を行うとともに、冷却ガスとしての窒素をガス吹付器２１に３０ＳＬＭで供給し、１０℃でフローライナー外壁面に吹き付けた。
【００３３】
その結果、冷却ガスを吹き付けなかったときには、３回の成膜操作でフローライナー内壁面に反応生成物（膜）が付着堆積したのが認められたが、冷却ガスを吹き付けたときには反応生成物の付着堆積は見られなかった。また、石英ガラスが汚れにくくなるため、連続して成膜を行っても良好な再現性が得られた。
【００３４】
実施例２
前記第２形態例で示した気相成長装置を使用して実施例１と同様の確認実験を行った。幅２００ｍｍ、高さ１５ｍｍの原料ガス流路を有する石英ガラス製フローライナー１１における基板対向壁（天井部分）に、直径０．５ｍｍのピンホール３２を３ｍｍ間隔で平面寸法が縦横約２００ｍｍの正方形状の範囲に形成した。
【００３５】
実施例１と同様に原料ガスを供給して成膜操作を行った結果、ピンホール３２から合計で１０ＳＬＭの窒素を１０℃で導入した場合は、フローライナー内壁面への反応生成物の付着堆積は見られず、連続して成膜を行っても良好な再現性が得られた。
【００３６】
なお、ピンホール３２から外部に原料ガスが漏れないように、フローライナー内外の圧力差を差圧計によって常時監視し、冷却ガスとして供給する窒素の圧力がフローライナー内部の圧力より高くなるように制御した。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相成長装置によれば、フローライナーを冷却して壁面近傍における原料ガスの熱分解反応を抑制することができるので、フローライナーの洗浄回数が削減されるとともに、フローライナーに付着した反応生成物（膜）によるフローライナーの歪みや変形を防止することができ、安定した運転を期待でき、生産性の向上を図れる。さらに、内壁面に反応生成物が付着しないので、透明なフローライナーの場合には、膜厚計等の光学測定装置を使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の第１形態例を示す系統図である。
【図２】同じく要部の平面図である。
【図３】本発明の気相成長装置の第２形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１…フローライナー、１１ａ…天井部、１２…原料ガス導入ノズル、１３…基板、１４…サセプタ、１５…排気ライン、１６…除害装置、２１…ガス吹付器、２２…冷却ガス供給経路、２３…ガス導入部、２４…ガス冷却部、２５…ガス噴出部、２６…ガス流路、２７…冷媒経路、２８…噴出口、３１…冷却ガス導入部、３２…ピンホール、５１，５２…原料ガスライン、５３…パージガスライン、５４…キャリアガスライン
【図１】
2004071883.tif 000003
【図２】
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【図３】
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