(57)【要約】【目的】  サセプタからの輻射熱を効率的に消散させて副生成物の生成及び付着を防止し、また、結晶成長を繰り返し実行しても、高品質な結晶層を成長可能なホリゾンタル方式の気相成長装置を提供する。【解決手段】  材料ガス流路を画定する材料ガス供給部は、基板保持部に対して材料ガス流路の上流側に配され、基板保持部から放射される赤外線に対して透過性の材料からなる材料ガス供給ガイドを有している。材料ガス供給ガイドは、材料ガス流路を画定する面とは異なる面に形成された凹凸構造からなる赤外線出射部を有している。【選択図】図２
2013115313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する基板保持部と、
前記基板の成長面に対して材料ガスを供給する材料ガス流路を画定する材料ガス供給部と、
前記基板保持部を加熱する加熱部と、を備え、
前記材料ガス供給部は、前記基板保持部に対して前記材料ガス流路の上流側に配され、前記基板保持部から放射される赤外線に対して透過性の材料からなる材料ガス供給ガイドを有し、
前記材料ガス供給ガイドは、前記材料ガス流路を画定する面とは異なる面に形成された凹凸構造からなる赤外線出射部を有することを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記基板保持部は円柱形状を有し、
前記赤外線出射部は、前記基板保持部の円柱中心軸を含む面における断面において、前記円柱中心軸に垂直な面に対して傾斜した第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面に対して傾斜した第２の傾斜面とからなる凹部を有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】
前記赤外線出射部は、複数の前記凹部が連続して形成された凹凸からな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】
前記赤外線出射部の前記凹部は、前記基板保持部の円柱中心軸を含む面における断面が三角形形状の凹部であることを特徴とする請求項２又は３に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記材料ガス供給ガイドは、その表面が前記材料ガス流路を画定するよう配された板状部材からなり、前記赤外線出射部は前記材料ガス供給ガイドの裏面に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記第１の傾斜面は、前記基板保持部の円柱中心軸と同軸の切頭円錐の側面形状を有することを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記第１の傾斜面は前記凹部のうち前記第２の傾斜面よりも前記基板保持部に近い側の傾斜面であり、前記第１の傾斜面の前記基板保持部の円柱中心軸に垂直な面に対する傾斜角をθ１（０＜θ１＜９０°）とし、前記材料ガス供給ガイドの真空との界面における前記赤外線の臨界角をαとしたとき、
（９０°−α）／２≦θ１≦２α
を満たすことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記第１の傾斜面は前記凹部のうち前記第２の傾斜面よりも前記基板保持部に近い側の傾斜面であり、前記第１の傾斜面の前記基板保持部の円柱中心軸に垂直な面に対する傾斜角をθ１（０＜θ１＜９０°）とし、前記材料ガス供給ガイドの真空との界面における前記赤外線の臨界角をαとしたとき、
９０°−α≦θ１≦２α
を満たすことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項９】
前記赤外線反射傾斜面はミラー部を含むことを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置、特に、水平方式（ホリゾンタル方式）のＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からレーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電子デバイス等の産業分野で半導体単結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法等の気相成長が幅広く用いられている。ＭＯＣＶＤ法を用いた成長装置には、基板の成長面に対して材料ガス流（ガスフロー）を垂直に流す方式（バーチカル方式）、水平に流す方式（ホリゾンタル方式）等があり、使用する材料ガスや目的デバイス等により適した方式が選択される。  従来の水平方式（以下、ホリゾンタル方式という。）の気相成長装置においては、例えば、特許文献１に開示されているように、フローチャネルに付着する副生成物によって成長再現性が失われるなどの悪影響を、フロー上流側に冷却水循環方式の冷却機構を設けることによって抑制することが開示されている。また、特許文献２には、ステンレス鋼からなる冷却機構を設け、材料ガスの気相反応を抑制することが開示されている。特許文献３には、フローチャネルの上流部に水平方向の仕切り板を設け、上下２層のガス流路を形成し、下側のガス流路に材料ガスを供給し、上側のガス流路にパージガスを供給し、サセプタ上流側にフローチャネルの下面温度を調整可能な冷却手段を設けた構造が開示されている。特許文献４には、冷却手段を備えた基板ホルダと、基板の背面に沿ってヘリウムガス等を流す構成が開示されている。また、特許文献５には、加熱手段とサセプタとの間に設けた空間に冷却ガスを流すバレル型反応装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３９０２号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６３２３号公報
【特許文献３】特開２０００−１００７２６号公報
【特許文献４】特開昭６４−１７４２４号公報
【特許文献５】実開平０３−１０２７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、従来の成長装置においては、フロー上流側に水冷ジャケット等からなる冷却機構を設け、副生成物の堆積を防止する構造が設けられている。しかしながら、基板を保持するサセプタ外周の近傍に冷却装置を配置する構造では、サセプタの外周部温度が低下し、膜厚不均一や組成不均一が発生する問題がある。また、成長温度が高温となる結晶系、例えばＧａＮ系結晶の結晶成長では基板温度（すなわち、サセプタ温度）は１０００℃以上になる。このような高温域で冷却装置に使用できる耐熱金属は高価である。また加工も難しく、高度な製造技術が必要であり加工コストも高い。従って、装置の製造コストが高くなるという問題がある。また、反応副生成物の付着が結晶成長過程を阻害し、結晶品質の低下を招来する問題もある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、サセプタに温度変動を与えることなく、サセプタからの輻射熱を効率的に消散させて副生成物の生成及び付着を防止することが可能なホリゾンタル方式の気相成長装置を提供することにある。また、結晶成長を繰り返し実行しても、高品質な結晶層を成長可能なホリゾンタル方式の気相成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気相成長装置は、基板を保持する基板保持部と、基板の成長面に対して材料ガスを供給する材料ガス流路を画定する材料ガス供給部と、基板保持部を加熱する加熱部と、を備え、
材料ガス供給部は、基板保持部に対して材料ガス流路の上流側に配され、基板保持部から放射される赤外線に対して透過性の材料からなる材料ガス供給ガイドを有し、材料ガス供給ガイドは、材料ガス流路を画定する面とは異なる面に形成された凹凸構造からなる赤外線出射部を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＭＯＣＶＤ装置の上面図（上段）及び断面図（下段）である。
【図２】実施例１のサセプタの円柱中心軸を含む断面における材料ガス供給ガイドの拡大断面図である。
【図３】図２の赤外線出射窓のサセプタ近傍部をさらに拡大して示す部分拡大断面図である。
【図４】赤外線出射窓の構造を説明する断面図であり、特に、第１の傾斜面の透過最大傾斜角（θmx）を模式的に説明する図である。
【図５】赤外線出射窓の構造を説明する断面図であり、第１の傾斜面の透過最小傾斜角（θmn1）を模式的に説明する図である。
【図６】赤外線出射窓の構造を説明する断面図であり、第１の傾斜面の最小傾斜角（θmn2）を模式的に説明する図である。
【図７】実施例２の材料ガス供給ガイドの、サセプタの円柱中心軸を含む面における拡大断面図である。
【図８】第２の傾斜面にミラーが設けられていない場合の導波赤外線の進路について説明するための図である。
【図９】実施例１、２及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】赤外線出射部の改変例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、水平方式の気相成長装置について図面を参照して詳細に説明する。以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の結晶成長装置１０の構成を模式的に示している。結晶成長装置１０の装置構成について以下に詳細に説明する。
【００１０】
［装置構成］
図１は、結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）１０の上面図（上段）及び断面図（下段）を示し、上面図は断面図における線Ｖ−Ｖに沿って基板側を見た場合の上面図である。図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応容器１１、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、フローチャネル排気管１７、基板２０を載置・保持する円柱形状のサセプタ２２、サセプタ２２を加熱する（すなわち基板２０を加熱する）ヒーター２４、サセプタ２２を回転させる（すなわち、基板２０を回転させる）基板回転機構２５を有している。
【００１１】
フローチャネル本体１２は天板、側壁、仕切り板１２Ａからなり、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３及び材料ガス供給ガイド１５からフローチャネル１４Ａ及びフローチャネル１４Ｂを有するフローチャネル部（材料ガス供給部）が構成されている。フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、基板２０及びサセプタ２２の表面は同一水平面内であるように構成されている。基板２０及びサセプタ２２に近い側の（すなわち下層流の）フローチャネルであるフローチャネル１４Ａには、ガス供給管１２Ｃを介して材料ガスが供給され、フローチャネル１４Ａの上層流のフローチャネルであるフローチャネル１４Ｂにはガス供給管１２Ｄを介してガスが供給される。
【００１２】
材料ガス供給ガイド１５は、サセプタ２２よりも材料ガスの上流側に配され、材料ガス供給ガイド１５の裏面には後述する赤外線出射部である赤外線出射窓１５Ａが形成されている。また、材料ガス供給ガイド１５の裏面側に冷却ガスを流す冷却ガス流路１６が設けられ、材料ガス供給ガイド１５が冷却される。冷却ガス流路１６には冷却ガス供給管１６Ａを介して冷却ガスが供給される。また、冷却ガス流路１６に沿って水冷ジャケット１８が設けられ、冷却水供給管１８Ａ及び冷却水排出管１８Ｂから冷却水がそれぞれ供給、排出される。
【００１３】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０には、ヒーター２４の熱を遮断するための遮熱板２６、遮熱板２６の外側にヒーター室を仕切るヒーター室隔壁筒２７が備えられている。ヒーター室にはヒーター室ガス供給管２７Ａが接続され、パージガスが供給される。パージガスとしては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。また、反応容器１１には反応容器パージガス供給管１１Ａが接続されており、反応容器内に拡散する材料ガス等を排気できるように、不活性ガス（Ｎ２等）を流せる構造となっている。なお、当該冷却ガスは、サセプタ２２、ヒーター２４、遮熱板２６を腐食しないガスならば良い。具体的には、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等でよい。しかし、材料ガス供給ガイド１５の冷却には、水素：窒素＝０：１〜３：１の混合ガスが好ましい。
【００１４】
［材料ガス供給ガイド及び赤外線出射窓］
図１及び図２を参照して材料ガス供給ガイド１５の構成について説明する。図２は、サセプタ２２の円柱中心軸を含む断面における材料ガス供給ガイド１５の拡大断面図である。例えば、図１の平面図におけるラジアル方向ＯＭ（Ｏ：サセプタ２２の円柱中心）を含む鉛直面の断面を示している。
【００１５】
図１の平面図に模式的に示すように、材料ガス供給ガイド１５の表面１５Ｆは、基板２０及びサセプタ２２の表面と同一水平面内であるように配され、フローチャネル１４Ａ（材料ガス流路）の底面を画定している。そして、当該材料ガス流路を画定する面（表面１５Ｆ）とは異なる面である材料ガス供給ガイド１５の裏面１５Ｒに赤外線出射窓１５Ａ（図１の平面図、破線で示す）が形成されている。材料ガス供給ガイド１５は、サセプタ２２から放射される赤外線に対して透過性の材料、例えば石英で形成されており、サセプタ２２から放射された赤外線（ＩＲ）を導波し、当該導波光（赤外線）の出射部である赤外線出射窓１５Ａから出射するように構成されている。
【００１６】
より具体的には、本実施例において、材料ガス供給ガイド１５は、その表面１５Ｆがフローチャネル１４Ａの底面を画定している。そして、例えば、フローチャネル１４Ａ側の表面１５Ｆに平行な裏面を有する平行平板形状として形成されている。そして、材料ガス供給ガイド１５の赤外線出射窓１５Ａは、材料ガス供給ガイド１５の裏面１５Ｒ、すなわちフローチャネル１４Ａを画定する面とは反対側の面に刻まれている。材料ガス供給ガイド１５は、材料ガス供給ガイド１５の端面１５Ｅとサセプタ２２との間の僅かな間隙Ｇを隔てて配置されている。赤外線出射窓１５Ａは、当該断面において三角形形状の溝（凹部）からなる鋸歯状の凹凸を有している。より詳細には、図２に示すように、赤外線出射窓１５Ａの当該三角形形状の凹部３１は、サセプタ２２から材料ガスフローの上流方向に順に第１の傾斜面３１Ａ（すなわち、サセプタ２２に近い側の傾斜面）、第１の傾斜面３１Ａに対して傾斜した第２の傾斜面３１Ｂ（すなわち、サセプタ２２から遠い側の傾斜面）からなり、かかる三角形形状の凹部３１が連続して形成されることによって鋸歯状の凹凸構造からなる赤外線出射窓１５Ａが構成されている。また、図１の平面図に示すように、赤外線出射窓１５Ａは、サセプタ２２の円柱中心軸に垂直な面（又は水平面）においてサセプタ２２と同心円状に材料ガス供給ガイド１５の裏面に刻まれている（破線で示す）。換言すれば、第１の傾斜面３１Ａ及び第２の傾斜面３１Ｂはともに、サセプタ２２の円柱中心軸と同軸の切頭円錐の側面形状を有する傾斜曲面である。
【００１７】
図３は、図２の赤外線出射窓１５Ａのサセプタ２２近傍部（破線で示す部分Ｕ）をさらに拡大して示す部分拡大断面図である。凹部３１は頂点Ｐ，Ｑ，Ｒ及び底辺ＰＲからなる三角形ＰＱＲの形状を有し、第１の傾斜面３１Ａは三角形ＰＱＲの底辺ＰＲに対して（すなわち、裏面１５Ｒに対して）、内角がθ１（０＜θ１＜９０°、以下、第１の傾斜角ともいう。）である角度を有し、第２の傾斜面３１Ｂは底辺ＰＲに対して内角がθ２（０＜θ２＜９０°、以下、第２の傾斜角ともいう。）である角度を有している。すなわち、一般的には、第１の傾斜面３１Ａ及び第２の傾斜面３１Ｂは、サセプタ２２の円柱中心軸を含む断面において、サセプタ２２の円柱中心軸に垂直な面（図中、破線）、すなわち三角形ＰＱＲの底辺ＰＲに対して、それぞれ内角θ１、θ２だけ傾斜した三角形形状の凹部３１の２辺に対応する。
【００１８】
図３に模式的に示すように、材料ガス供給ガイド（石英）１５に入射した光（赤外線）ＩＲ0は、石英と気体相との界面（１５Ｆ，１５Ｒ）に臨界角αよりも高角で入射した場合には、材料ガス供給ガイド１５の内部に導波され（導波光又は導波赤外線）、臨界角αよりも低角で入射した場合には、気体相に出射する。導波光は、石英中を伝播しながらその一部が石英に吸収され、熱に変換される。すなわち、石英は導波光により加熱される。サセプタ２２の近傍では、サセプタ２２又はヒーター２４から放射される赤外線が支配的なので、当該赤外線を除去できればフローチャネルの加熱を抑制することができる。また、第１の傾斜面３１Ａに入射した導波光ＩＲは、入射角に応じて、直接外部に出射する、又は第１の傾斜面３１Ａから出射した後、第２の傾斜面３１Ｂで外部に反射される、あるいは第２の傾斜面３１Ｂから再度材料ガス供給ガイド（石英）１５内に入射する。すなわち、第１の傾斜面３１Ａは赤外線出射傾斜面として機能し、第２の傾斜面３１Ｂは、第１の傾斜面３１Ａから材料ガス供給ガイド１５外に出射し、臨界角以上で入射した赤外線を反射する赤外線反射傾斜面として機能する。
【００１９】
以下に、サセプタ２２から材料ガス供給ガイド１５内に入射した赤外線ＩＲを導波光出射窓１５Ａから効率よく出射させ、サセプタ２２近傍からの熱を除去してフローチャネルの加熱を抑制するための導波光出射窓１５Ａの構造について詳細に説明する。
【００２０】
［赤外線出射窓の構造］
１．第１の傾斜面３１Ａの透過最大傾斜角（θmx）
図４は、図３と同様に赤外線出射窓１５Ａの構造を説明する断面図であり、特に、第１の傾斜面３１Ａの透過最大傾斜角（θmx）を模式的に説明する図である。なお、以下において、角度は時計回りを正（プラス）、反時計回りを負（マイナス）として説明する。
【００２１】
赤外線を材料ガス供給ガイド１５外に取出すための第１の傾斜面３１Ａ（すなわち、赤外線出射傾斜面）の透過最大傾斜角θmx（すなわち、第１の傾斜角の最大値）は、材料ガス供給ガイド１５と気体層（フローチャネル）との界面Ｉ（１５Ｆ）で反射される最小反射角（臨界角αに等しい）の赤外線ＩＲ（図中、矢印）の進行方向線ＬＭが第１の傾斜面３１Ａの法線ＨＯに対してなす角がプラス側の透過最大角（すなわち、臨界角αに等しい）に一致する場合（又は法線ＨＯが進行方向線ＬＭよりも水平方向に近い場合）に該当する（図４参照）。従って、θmxは以下の式で与えられる。
θmx＝α＋α＝２α                        （式１）
【００２２】
従って、第１の傾斜面３１Ａの傾斜角θ１（第１の傾斜角）は、
θ１≦２α                                （式２）
であればよい。例えば、材料ガス供給ガイド１５が石英からなる場合で、赤外線の波長を１μｍと仮定すると、石英の屈折率は１．４５１であり、臨界角α＝４３．６°であるので、θ１≦２×４３．６°＝８７．２°である。
【００２３】
２．第１の傾斜面３１Ａの透過最小傾斜角（θmn1）
図５は、図４と同様に赤外線出射窓１５Ａの構造を説明する断面図であり、第１の傾斜面３１Ａの透過最小傾斜角（θmn1）を模式的に説明する図である。第１の傾斜面３１Ａで赤外線が全反射せずに材料ガス供給ガイド１５外に取出されるための第１の傾斜面３１Ａの透過最小傾斜角（θmn1）は、界面Ｉで反射される最大反射角（すなわち、90°）の赤外線ＩＲ（図中、矢印）の進行方向線ＬＯが第１の傾斜面３１Ａの法線ＨＯに対してなす角がマイナス側の透過最大角（臨界角αに等しい）に一致する場合に該当する（図５参照）。従って、θmn1は以下の式で与えられる。
θmn1＝９０−α                            （式３）
【００２４】
従って、第１の傾斜面３１Ａの傾斜角θ１は、
θ１≧９０−α                              （式４）
であればよい。例えば、材料ガス供給ガイド１５が石英からなり、赤外線の波長を１μｍと仮定すると、θ１≧９０°−４３．６°＝４６．４°である。
【００２５】
３．第１の傾斜面３１Ａの最小傾斜角（θmn2）
図６は、赤外線出射窓１５Ａの構造を説明する断面図であり、第１の傾斜面３１Ａの最小傾斜角（θmn2）を模式的に説明する図である。赤外線を材料ガス供給ガイド１５外に取出すための第１の傾斜面３１Ａの最小傾斜角（θmn2）は、界面Ｉで反射される最大反射角（すなわち、90°）の赤外線ＩＲ（図中、矢印）の進行方向線ＬＯと第１の傾斜面３１Ａで反射され、臨界角で界面Ｉに向かう反射光ＩＱの進行方向線ＯＴとしたとき、∠ＴＯＱ＝∠ＬＯＰ＝θmn2となる。従って、第１の傾斜面３１Ａの最小傾斜角θmn2は、以下の式で与えられる。
９０°＋α−２θmn2＝１８０°
θmn2＝（９０°−α）／２                    （式５）
【００２６】
従って、第１の傾斜面３１Ａの傾斜角θ１は、
θ１≧（９０°−α）／２                      （式６）
であればよい。例えば、材料ガス供給ガイド１５が石英からなり、赤外線の波長を１μｍと仮定すると、θ１≧（９０°−４３．６°）／２＝２３．２°である。
【００２７】
４．第１の傾斜面３１Ａの傾斜角
上記したように、赤外線出射傾斜面である第１の傾斜面３１Ａの透過最大傾斜角（θmx）は、材料ガス供給ガイド１５と空気（又は真空）との界面における赤外線の臨界角をαとしたとき、θmx＝２αである。また、最小傾斜角はθmn2＝（９０°−α）／２である。さらに、第１の傾斜面３１Ａで赤外線が全反射せずに材料ガス供給ガイド１５外に取出されるための第１の傾斜面３１Ａの透過最小傾斜角はθmn1＝９０−αである。従って、第１の傾斜面３１Ａの傾斜角θ１は、（９０°−α）／２≦θ１≦２αであればよく、材料ガス供給ガイド１５外部への取り出し効率の点で９０°−α≦θ１≦２αであることが好ましい。また、石英等の材料ガス供給ガイド１５の加工の観点からは、４５°〜６０°が簡便に加工できるので好ましい。特に、正角側からの入射光を増加させた方が、第２の傾斜面３１Ｂへの再入射を少なくできるので、６０°が最適である。
【００２８】
なお、赤外線出射窓１５Ａの深さ、すなわち上記凹部３１の高さは、赤外線の不感サイズ以上であることが好ましい。具体的には、赤外線出射窓１５Ａの深さＤ（図３参照）は０．２〜０．５ｍｍであることが好ましく、また材料ガス供給ガイド１５の厚さの1/10〜1/3であることが好ましい。また、第１の傾斜面３１Ａ及び第２の傾斜面３１Ｂのなす角度は９０±５°が好ましい。これよりも小さいと第２の傾斜面３１Ｂに入射し、材料ガス供給ガイド１５内に反射される光が増加する。またこれよりも大きいと、凹部３１の溝幅（当該三角形状の底辺）が拡がり、第１の傾斜面３１Ａの間隔が拡がるので取り出し効率が減少する。
【実施例２】
【００２９】
図７は、実施例２の材料ガス供給ガイド１５の、サセプタ２２の円柱中心軸を含む面における拡大断面図である。第２の傾斜面３１Ｂにミラー３３が設けられている点を除いては、材料ガス供給ガイド１５は上記実施例１と同様な構成を有している。
【００３０】
図８は、第２の傾斜面３１Ｂにミラー３３が設けられていない場合の、導波光（すなわち、導波赤外線）の進路について説明するための図である。なお、傾斜面の法線に対して時計回りに測った角度を正角、反時計回りに測った角度を負角という。材料ガス供給ガイド１５中の導波光は、界面Ｉで反射された反射光と、界面IIで反射された反射光とがある。図中、光線ａは界面IIで反射され、第１の傾斜面３１Ａに入射した光である。その入射角は臨界角より大きく、第１の傾斜面３１Ａで反射され界面Ｉに向かう（反射光ａ’）。光線ａ’の界面Ｉへの入射角が臨界角以下なら気体相に出射し、臨界角以上なら反射光（導波光）となる。光線ｂは、界面Ｉで反射されて第１の傾斜面３１Ａに入射する光であり、入射角は臨界角より小さいので、第１の傾斜面３１Ａから出射し、第２の傾斜面３１Ｂに入射する。第２の傾斜面３１Ｂへの入射角が臨界角より大きければ第２の傾斜面３１Ｂで反射されて材料ガス供給ガイド１５外部に出射し（反射光ｂ’）、臨界角より小さければ材料ガス供給ガイド１５内に入射する（入射光ｂ’’）。また、界面Ｉで反射され、材料ガス供給ガイド１５内において第２の傾斜面３１Ｂに入射する光線ｃは、第２の傾斜面３１Ｂへの入射角が臨界角より大きいので、第２の傾斜面３１Ｂで反射され、次の第１の傾斜面３１Ａに向かう。次の第１の傾斜面３１Ａへの入射角が臨界角より小さければ出射し（光線ｃ’）、臨界角より大きければ反射される。以上説明した光路によって、材料ガス供給ガイド１５の導波光は外部に取り出される。
【００３１】
上記したように、入射角によっては第１の傾斜面３１Ａから出射した光が再度材料ガス供給ガイド１５内に入射（屈折侵入）する場合がある。実施例２においては、第１の傾斜面３１Ａから出射した光を反射するミラー３３を第２の傾斜面３１Ｂに設けているので、材料ガス供給ガイド１５内へ再入射を防止でき、導波光の材料ガス供給ガイド１５の外部への取り出し効率が向上し、材料ガス供給ガイド１５の加熱を抑制できる。
【００３２】
ミラー３３は、例えばロジウム（Ｒｈ）を第２の傾斜面３１Ｂに蒸着することによって形成することができる。ロジウム（Ｒｈ）は、赤外域まで高い反射率を有すると同時に、非常に耐腐食性が高いので、高温雰囲気下でも高い反射性能を維持できる。なお、ロジウムの膜厚は50〜200ｎｍが好ましい。また、ミラー３３は、ロジウムに限らず、赤外線に対して反射率の高い材料を用いることができる。
【００３３】
［成長結晶の評価］
（１）結晶成長
実施例１及び実施例２の材料ガス供給ガイド１５を備えたＭＯＣＶＤ装置を用いて結晶成長を行い、その成長結晶の評価を行った。また、材料ガス供給ガイドに赤外線出射窓１５Ａが設けられていない点を除いて、実施例１及び実施例２と同じ構成を有するＭＯＣＶＤ装置を比較例として結晶成長を行い、実施例１、２及び比較例の装置を用いて成長結晶の比較を行った。図９は、実施例１、２及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。なお、実施例１、２及び比較例の結晶成長は全て同じ手順、条件で実施した。以下にその結晶成長の手順、条件等を説明する。  具体的には、下記の有機金属化合物材料ガスと水素化物材料ガスを用いて、次の手順でＧａＮ結晶を成長した。基板２０には成長面がｍ軸方向に０．５°傾斜した（０．５°オフ）のｃ面サファイア（α−アルミナ）、円形（２インチ）の基板を用いた。有機金属材料ガスとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、水素化物ガスとしてはＮＨ３（アンモニア）を用いた。有機金属材料ガスと水素化物ガスは混合してガス供給管１２Ｃから供給し、水素：窒素＝１：１に混合したガスを２８L／minの流量でガス供給管１２Ｄから供給した。なお、ガス供給管１２Ｃには材料ガス（有機金属化合物ガス及び水素化物ガス）に加えてキャリアガスとして水素（Ｈ2）ガスを流した。総流量は材料ガスと合わせて６L／minであるように調整した。また、冷却ガス供給管１６Ａには水素：窒素＝１：１の混合ガスを１０L／minの流量で流し、ヒーター室ガス供給管２７Ａには水素：窒素＝１：１の混合ガスを８L／minの流量で流した。また、水冷ジャケット１７には常温（室温）の水を３L／minの流量で流した。
【００３４】
まず、基板２０の熱処理を行った。ガス供給管１２Ｃから水素ガスを６L／min、ガス供給管１２Ｄから水素：窒素＝１：１の混合ガスを２８L／minの流量で流し、サセプタ２２の温度を１０００℃、圧力を１００ｋＰａ（Ｐａ：パスカル）にし、サファイア基板２０を１０分間アニールした。
【００３５】
次に、サセプタ２２（すなわち、基板２０）の温度を５５０℃、圧力を１００ｋＰａとした後、ガス供給管１２ＣからＴＭＧを３０μmol／min、ＮＨ３を４L／min供給し、サファイア基板２０上に低温成長ＧａＮ層４１を１０ｎｍの層厚で成長した。次に、サセプタ２２の温度を１０５０℃、圧力を１００ｋＰａとし、低温成長ＧａＮ層４１を７分間アニールした。
【００３６】
次に、サセプタ２２の温度を１０３０℃、圧力を１００ｋＰａとした後、ＴＭＧを４５μmol／min、ＮＨ３を４L／min供給し、低温成長ＧａＮ層４１上に高温成長ＧａＮ層４２を１時間成長した。
【００３７】
（２）成長結晶の評価結果
表１に、実施例１、２及び比較例のサンプルの成長層の構造を評価結果を示す。層厚測定は、白色光源を用いた反射干渉計を用いて測定した。サファイア基板の屈折率が１．７、ＧａＮ結晶の屈折率が２．４と異なるので、反射干渉の測定にて層厚を測定できる。層厚測定は２インチ基板の中心から５ｍｍ間隔で５点（中心を含む）測定し、その平均値を表１に示した。また、層厚増加率は比較例の層厚を基準（すなわち、１．０）とした。メンテナンス回数間隔は、サセプタ上流側のフローチャネル床板部、すなわち材料ガス供給ガイド上面のサセプタ近傍部の堆積物が剥離して捲れ上がる回数として定義した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、比較例の平均層厚は３．２μｍであったが、実施例１では４．１μｍ、実施例２では４．６μｍと大幅な層厚の増加効果が認められた。このときの層厚増加率は、実施例１では１．２８倍、実施例２では１．４４倍であった。また、メンテナンス間隔回数も比較例では２３回、実施例１では２６回、実施例２では３１回とメンテナンス間隔回数が多くなる効果が認められた。
【００４０】
実施例１、２の層厚増加率の向上分は、材料使用効率の向上分と考えることができる。上記したように実施例１、２および比較例で使用した材料ガスの流量は同じなので、比較例の材料使用効率を１００％としたとき、実施例１では材料使用効率が２８％向上し、実施例２では４４％向上したと言える。換言すれば、ＬＥＤ素子等の半導体素子の積層構造が同じならば、材料ガス使用効率向上分だけ材料ガス使用量を減らせるので製造コストを低減することができる。また、同時に製造時間も短縮できるので、生産性を向上でき製造コストを低減することができる。
【００４１】
メンテナンスに至るまでの材料ガス供給ガイド上面のサセプタ近端部からヒーター室隔壁の内端部までの汚れ（堆積物）は、比較例では数回成長しただけで明らかに黄色になり、その後成長を重ねるにつれ徐々に濃い褐色になり、２０回程度で堆積物の剥離が始まった。これに対し、実施例１ではヒーター室隔壁内端側の汚れ（堆積物）が数回の成長では薄い褐色程度であり、明らかに汚れの程度は軽減され、２６回程度まで堆積物の剥離は起きなかった。実施例２では、汚れ（堆積物）の付着傾向は更に減少した結果３１回程度の成長までは剥離が起きなくなった。このようにフローチャネル部の汚れ低減効果によりフローチャネル部の洗浄までの使用可能回数を長くすることができた。換言すれは、同一期間における清掃時間の短縮分だけ半導体素子の製造が可能になるので製造コストを低減することができる。
【００４２】
前述のように、サセプタ外周の近傍に冷却装置を配置する従来の構造では、サセプタの外周部温度が低下し、層膜厚不均一や組成不均一を生じさせるが、本発明によれば、そのようなサセプタ（すなわち、基板）へ温度変動を与えること無く、サセプタ近傍の熱を消散させることができる。また、水冷ジャケット式等では冷却不可能なサセプタの極近傍を冷却することができる。さらに、装置の製造コストも安価である。
【００４３】
また、ホリゾンタル方式のＭＯＣＶＤ装置では、材料ガスは水平なガス流層に添加され基板まで運搬される。そこで材料ガスは、基板直上の淀み層内を拡散して基板に到達する。材料ガスは基板上でマイグレーションをともなう熱化学反応を介して半導体結晶となる。換言すれば、ＭＯＣＶＤ装置内でこのような条件が理想的にみたされる程、高品質なエピタキシャル結晶成長膜、すなわち配向性が高く、転位や欠陥等の少ない単結晶が得られる。ところが基板上流部の堆積物は、厚く堆積すると成長温度（サセプタ温度）の昇降により剥離し、ガス流を乱して熱化学分解反応を介した結晶成長過程を阻害するので結晶品質の低下を招く。本発明によれば、基板上流部の堆積物（副生成物）の付着を抑制できるので、高品質なエピタキシャル結晶成長層を得ることができる。
【００４４】
上記したように、本発明によれば、サセプタの上流側のフローチャネル床板部、すなわち材料ガス供給部のサセプタ近傍部の輻射熱を材料ガス供給部の外部（材料ガス供給ガイドの裏面側）に消散させ、材料ガス供給ガイドの温度上昇を抑制しているので、無駄に材料ガスが分解し消費されるのを防止でき、また、材料ガス供給部の汚れや堆積物（副生成物）の付着を防止できる。従って、材料ガスの使用効率を向上できるとともに、装置のメンテナンス頻度を低減できる。特に、成長温度が非常に高い、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＭＯＣＶＤ成長において効果が高い。さらに、高品質なエピタキシャル結晶を成長することができる。
【００４５】
［改変例］
上記した実施例１及び２においては、サセプタが円柱形状を有し、当該円柱中心軸に垂直な面において赤外線出射部の凹部が同心円状に形成された場合を例に説明したが、これに限らない。例えば、サセプタの形状は円柱形状に限らない。また、赤外線出射部の凹部は、同心円状に形成された場合に限らず、赤外線出射部の凹部は、サセプタからの赤外線放射方向及び材料ガス供給ガイド内の導波方向に応じて、当該導波赤外線を外部に出射するように配された出射面を有する構成を有していればよい。
【００４６】
また、赤外線出射部（出射窓）１５Ａが材料ガス供給ガイド１５の裏面から窪んだ凹部の連続から構成されている場合を例に説明したが、これに限らない。例えば、図１０に示すように、材料ガス供給ガイド１５の裏面から突出した赤外線出射窓１５Ｂとして構成されていてもよい。例えば、赤外線出射窓１５Ｂは、三角形形状の凹部３５が連続して形成された鋸歯状の凹凸から構成され、当該凹凸構造は材料ガス供給ガイド１５の裏面から突出している。この場合も、三角形形状の凹部３５は、サセプタ２２に近い側の第１の傾斜面３５Ａと遠い側の第２の傾斜面３５Ｂからなる。そして、第１の傾斜面３５Ａ及び第２の傾斜面３５Ｂは、サセプタ２２の円柱中心軸に垂直な面（又は水平面）に対して、それぞれ傾斜角（すなわち、当該三角形の内角）はθ１、θ２（０＜θ１，θ２＜９０°）である。
【００４７】
また、赤外線出射部の断面が三角形形状の凹部の場合を例に説明したが、三角形形状に限らない。例えば、赤外線出射面である第１の傾斜面が凸形状を有し、あるいは、第２の傾斜面が第１の傾斜面から出射した赤外線を効率よく反射するように凹面形状を有していてもよい。さらに上記した実施例及び改変例は適宜組合せ、変更してもよい。また上記した数値、材料等は例示に過ぎない。
【符号の説明】
【００４８】
１０  気相成長装置
１５  材料ガス供給ガイド
２０  基板
２２  サセプタ
１４Ａ、１４Ｂ  フローチャネル
１５Ａ、１５Ｂ  赤外線出射部
３１  凹部
３１Ａ  第１の傾斜面
３１Ｂ  第２の傾斜面
３３  ミラー
【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】
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【図１０】
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