(57)【要約】【課題】基板の表面を通過する原料ガス流の均一性を向上させることにより、より良質な薄膜を基板上に形成することができる気相成長装置を提供する。【解決手段】ガス流を導入するためのガス導入口１と、このガス流のガス流路の断面積が拡大するガス流路拡大部６を有する中空状の反応容器２と、ガス導入口１から導入されたガス流を衝突させてガス流の向きを変える壁面８とを備えた気相成長装置であって、この壁面８はガス流路拡大部６よりもガス流の上流側に設置されている気相成長装置である。ここで、ガス導入口１から導入されるガスのガス流方向とガス流方向を転換させる壁面８の衝突面との為す角βが９０°以上１８０°未満であることが好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流を導入するためのガス導入口と、
前記ガス流のガス流路の断面積が拡大するガス流路拡大部を有する中空状の反応容器と、
前記ガス導入口から導入されたガス流を衝突させてガス流の向きを変える壁面とを備えた気相成長装置であって、
前記壁面は前記ガス流路拡大部よりも前記ガス流の上流側に設置されていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記ガス導入口からのガス流導入方向と前記壁面との為す角が９０°以上１８０°未満である請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記壁面付近に滞留するガスをパージするパージガスを導入するためのパージガス流出口を備えた請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記ガス導入口および前記パージガス流出口の少なくとも一方から流れるガス流を遮断し得るシャッタを設置した請求項３に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、窒化ガリウム等の化合物半導体、酸化物または超伝導体等の薄膜を基板の表面上に形成する気相成長装置に関し、特に設置された基板の表面に対して平行方向に原料ガスを流す横型気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、以下、「ＭＯＣＶＤ」という。）は、化合物半導体等の結晶成長技術の一つである。ＭＯＣＶＤ装置には、設置された基板の表面に対して垂直に原料ガスを流す縦型ＭＯＣＶＤ装置や、設置された基板の表面に対して平行に原料ガスを流す横型ＭＯＣＶＤ装置がある。
【０００３】
図９（Ａ）に従来の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な上面図を示す。また、図９（Ｂ）に図９（Ａ）の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な縦断面図を示す。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【０００４】
従来の横型ＭＯＣＶＤ装置においては、図９（Ｂ）に示すように、サセプタ１０９に基板１０４が設置され、ヒータ１１０によってサセプタ１０９を介して基板１０４が加熱される。そして、図９中の矢印１０５で示される方向に、原料ガス配管のガス導入口１０１から導入された原料ガス流は、反応容器１０２内のガス流路拡大部１０６においてその流路を広げられた後にガス流路一定部１０７を流れ、基板１０４下方を通過する際に反応して基板１０４上に薄膜が形成される（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００５】
なお、図９に示す従来の横型ＭＯＣＶＤ装置は、ガス導入口１０１として、２種類の原料ガス流を導入するために２つのガス導入口１０１ａ、１０１ｂを含んでおり、それぞれの導入口から原料ガス流が矢印１０５ａ、１０５ｂの方向に導入される。
【０００６】
図９に示されているような横型ＭＯＣＶＤ装置においては、ガス流路一定部１０７に設置された基板１０４の表面近傍、特に基板１０４の中心を通り、基板１０４の表面を流れるガス流方向と直交する方向のガス流路一定部１０７の断面１１２における原料ガス流の速度分布および濃度分布等を均一にすることが基板１０４の表面上に良質な薄膜を形成するために好ましい。
【０００７】
ガス導入口１０１から導入された原料ガス流導入方向１０５と、反応容器１０２のガス流路拡大部１０６を構成する側壁１０６ａとが為す広がり角αが大きい場合には、原料ガス流がガス流路拡大部１０６に応じて広がらず、図９（Ａ）に示すように、側壁１０６ａの端部付近で原料ガス流の渦１０３が発生することがあった。したがって、この場合には、基板１０４下方における原料ガス流の速度分布および濃度分布等の均一性を保つことができなかった。また、反応容器１０２内に原料ガスが滞留してしまい、原料ガスの種類を急峻に切り替えることができなかった。
【０００８】
そこで、広がり角αを７°以下に抑えて緩やかなガス流路拡大部１０６を形成する方法が提案されている。
【０００９】
また、図１０（Ａ）の模式的上面図および図１０（Ｂ）の模式的縦断面図に示すように、多孔質状や網状の構造物５１を反応容器１０２内に設置する方法も提案されている。
【００１０】
さらに、図１１（Ａ）の模式的上面図および図１１（Ｂ）の模式的縦断面図に示すように、ひし形状構造物５２を反応容器１０２内に設置する方法も提案されている（たとえば、特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平４−１８６８２５号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００１−１１８７９９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、広がり角αを７°以下に抑えて緩やかなガス流路拡大部を形成した場合には、反応管の長さが非常に長くなってしまうため、横型ＭＯＣＶＤ装置の設計、設置および取り扱いに問題があった。
【００１４】
また、多孔質状や網状の構造物またはひし形状構造物をガス流路に設置した場合には、原料ガス流の速度分布および濃度分布等の均一性は向上するが、上記構造物の加工精度や設置位置ずれによって、横型ＭＯＣＶＤ装置の製造再現性が悪かった。また、構造物自体が加熱されて原料ガス流の温度分布が乱れてしまうこともあった。
【００１５】
上記事情に鑑みて本発明は、基板の表面を通過する原料ガス流の均一性を向上させることにより、より良質な薄膜を基板上に形成することができる気相成長装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス流を導入するためのガス導入口と、このガス流のガス流路の断面積が拡大するガス流路拡大部を有する中空状の反応容器と、ガス導入口から導入されたガス流を衝突させてガス流の向きを変える壁面とを備えた気相成長装置であって、この壁面はガス流路拡大部よりもガス流の上流側に設置されている気相成長装置である。
【００１７】
ここで、本発明に係る気相成長装置においては、ガス導入口からのガス流導入方向と上記壁面との為す角が９０°以上１８０°未満であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る気相成長装置は、上記壁面付近に滞留するガスをパージするパージガスを導入するためのパージガス流出口を備えることもできる。
【００１９】
この場合には、ガス導入口およびパージガス流出口の少なくとも一方から流れるガス流を遮断し得るシャッタを設置することが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１（Ａ）に、本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい一例の模式的な上面図を示す。図１（Ｂ）に、図１（Ａ）の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な縦断面図を示す。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置は、原料ガス流を導入するためのガス導入口１と、原料ガス流が導入される中空状の反応容器２とを含み、さらに反応容器２はガス流路の断面積が拡大するガス流路拡大部６とガス流路の断面積が一定となるガス流路一定部７とを含む。
【００２２】
ここで、本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置においては、図１（Ｂ）に示すように、異なる種類の原料ガス流をそれぞれ導入するためのガス導入口１ａおよび１ｂの上方であって、矢印５ａおよび５ｂでそれぞれ示される原料ガス流導入方向と直交する方向にそれぞれ壁面８ａおよび８ｂが設置されている。このような構成とすることにより、ガス導入口１ａおよび１ｂのそれぞれから上方に導入された原料ガス流は、壁面８ａおよび８ｂにそれぞれ衝突してガス流の方向が変えられた後にガス流路拡大部６に流れ込むこととなるが、この壁面８ａおよび８ｂとの衝突の際に原料ガス流の流速が整えられる。
【００２３】
それゆえ、基板表面と平行方向にそのまま原料ガス流を導入する従来の場合と比べて、ガス流路拡大部６の側壁の端部付近で原料ガス流の渦が発生しにくくなり、基板４の下方において速度分布および濃度分布等がより均一となる原料ガス流を実現し得るのである。
【００２４】
図１に示す本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置と図９に示す従来の横型ＭＯＣＶＤ装置を用いて、シミュレーションによりガス流路一定部７（本発明）、１０７（従来）に設置された基板４（本発明）、１０４（従来）の中心を通り、これらの基板の表面を流れるガス流方向と直交する方向のガス流路の断面である流速観察面１２（本発明）、１１２（従来）における原料ガス流の流速分布を測定した。その測定結果となる流速分布等高線図を図２（本発明）および図３（従来）に示す。
【００２５】
図２および図３を比較してみるとわかるように、図２に示す本発明における流速分布等高線は、図３に示す従来における流速分布等高線よりも平坦になっているため、本発明においては従来と比べて基板表面と平行方向により均一な流速分布が得られていることがわかる。したがって、本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置を用いた場合には、基板４の下方における均一な原料ガス流を得ることができるため、従来よりも良質な薄膜を基板上に形成することが可能となる。
【００２６】
ここで、図１（Ｂ）において、ガス導入口１から導入される原料ガス流の原料ガス流導入方向５と原料ガス流のガス流方向を変える壁面８との為す角βは９０°以上１８０°未満であることが好ましく、壁面８に衝突して原料ガス流導入方向５と逆行する方向に流れる原料ガス流の影響をあまり受けずに原料ガス流を整えることができる９０°以上１２０°未満であることがより好ましい。これらの場合には、より均一な流速分布を有する原料ガス流を得ることができるようになる。
【００２７】
なお、上記のようにして得られた均一な流れの原料ガス流は、図１（Ａ）に示すように反応容器２内のガス流路拡大部６でその流路が拡大された後、反応容器２内のガス流路一定部７に流れ込む。そして、図１（Ｂ）に示すように、サセプタ９上に設置され、ヒータ１０によってサセプタ９を介して暖められた基板４の表面上で反応して、薄膜が基板４の表面上に形成される。また、ここで消費されなかった原料ガス流は原料ガス流の下流方向にあるガス排気口から排気される。
【００２８】
また、上記においては、ガス導入口１から上方に向けて原料ガス流５を導入しているが、ガス導入口１を反応容器２の上部に配置し、ガス導入口１から下方に向けて原料ガス流５を導入してもよい。
【００２９】
また、上記においては、基板４の成長面を下方に向けたフェイスダウン構造になっているが、基板４の成長面を上方に向けたフェイスアップ構造とすることもできる。
【００３０】
また、図４（Ａ）の模式的上面図および図４（Ｂ）の模式的縦断面図に示すように、基板４の設置位置に対して横方向から原料ガス流５を導入するようにガス導入口１の配置を変えてもよいことは言うまでもない。
【００３１】
さらに、図５（Ａ）の模式的上面図および図５（Ｂ）の模式的縦断面図に示すように、ガス導入口１ａおよび１ｂからそれぞれ下方および上方の双方に向けて原料ガス流５ａおよび５ｂを導入してもよい。この場合には、上記と同様の効果が得られるだけでなく、装置の加工が容易になる。
【００３２】
（実施の形態２）
図６（Ａ）に、本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい他の例の模式的な上面図を示す。図６（Ｂ）に、図６（Ａ）の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な縦断面図を示す。
【００３３】
実施の形態１においては、たとえば図７の模式的上面図に示すように、導入された原料ガス流を壁面８に衝突させることにより、原料ガス流の方向５を９０°変えることとなるが、この場合にはガス流路の縁に滞留ガス３が生じることがあり、この滞留ガス３中に含まれる不純物が薄膜の成長に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００３４】
そこで、本実施の形態においては、図６に示すように、基板４の表面と平行方向に矢印１５ａ、１５ｂで示す方向に導入されるＮ2（窒素）またはＨ2（水素）等の反応に寄与しないパージガス１５を導入するためのパージガス流出口１１が設置される。なお、パージガス流出口１１は、原料ガス導入口１に含まれる２種類の原料ガス導入口１ａ、１ｂに対応して２つの流出口１１ａ、１１ｂを含んでいる。
【００３５】
しかし、パージガス１５の流路を形成するために、たとえば図６に示すような装置構成とした場合には、パージガス流出口１１からパージガス１５が常に流されるので、原料ガス導入口１から導入される原料ガス流量に対して基板４の下方に流れ込む原料ガス流量が少なくなってしまう。
【００３６】
そこで、たとえば図８の模式的な縦断面図に示すように、ガス切り替え用シャッタ１６および１７を設けることが好ましい。すなわち、まず薄膜の成長中はパージガス側シャッタ１６を閉じ、原料ガス側シャッタ１７を開いて原料ガス導入口１から原料ガスを流すことによって、均一な原料ガス流が得られることからより良質な薄膜の成長を行なうことができるのである。
【００３７】
しかし、この場合には、原料ガス側シャッタ１７とパージガス側シャッタ１６との当接部分付近に滞留ガス１３が生じることがある。
【００３８】
そこで、原料ガスの種類を切り替える際には、まず、原料ガス側シャッタ１７を閉じた後、パージガス側シャッタ１６を開き、パージガス流出口１１からパージガス１５を反応容器２内に流す。これによって滞留ガス１３を一掃し得る。
【００３９】
そして、パージガス１５の導入を止めた後に、原料ガス側シャッタ１７を開き、原料ガス導入口１から原料ガスの代わりにパージガスを流す。これにより原料ガス側シャッタ１７よりもガス上流側に滞留している切り替え前の原料ガスを一掃し得ると共に、ガス下流側のガス流路拡大部の端部付近に滞留しているパージガスも一掃し得る。
【００４０】
次いで、パージガス側シャッタ１６を閉じた後、再度原料ガス導入口１から原料ガス流を流すと、切り替え前の原料ガスによる影響をほとんど受けずに、次の薄膜成長を行なうことができる。
【００４１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、基板の表面を通過する原料ガス流の均一性を向上させることにより、より良質な薄膜を基板上に形成することができる気相成長装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい一例の模式的な上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図２】本発明におけるガス流路の基板の中心断面を通る流速観察面の流速分布等高線図である。
【図３】従来におけるガス流路の基板の中心断面を通る流速観察面の流速分布等高線図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい一例の模式的な上面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい一例の模式的な上面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図６】図６（Ａ）は本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい他の例の模式的な上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図７】本発明に用いられるガス流路における原料ガス流方向変更部の模式的な拡大上面図である。
【図８】本発明に係る横型ＭＯＣＶＤ装置の好ましい他の例の模式的な拡大縦断面図である。
【図９】図９（Ａ）は従来の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な上面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は従来の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な上面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）従来の横型ＭＯＣＶＤ装置の模式的な上面図であり、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の装置の模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
１，１０１  ガス導入口、２，１０２  反応容器、３，１３，１０３  滞留ガス、４，１０４  基板、５，１５，１０５  導入ガス、６，１０６  ガス流路拡大部、７，１０７  ガス流路一定部、８  壁面、９，１０９  サセプタ、１０，１１０  ヒータ、１１  パージガス流出口、１２，１１２  流速観察面、１６  パージガス側シャッタ、１７  原料ガス側シャッタ。
【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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【図８】
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【図９】
2004200225.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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