JP2845105B2 - 薄膜気相成長装置 - Google Patents

薄膜気相成長装置

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JP2845105B2 JP24751193A JP24751193A JP2845105B2 JP 2845105 B2 JP2845105 B2 JP 2845105B2 JP 24751193 A JP24751193 A JP 24751193A JP 24751193 A JP24751193 A JP 24751193A JP 2845105 B2 JP2845105 B2 JP 2845105B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、横型の薄膜気相成長
装置に関する。薄膜気相成長装置は加熱された基板の上
に原料ガスを導入し原料ガス同士で気相反応を起こさ
せ、反応生成物を基板に堆積させ薄膜を形成するもので
ある。基板はシリコンSiやガリウムヒソGaAs、ジ
ンクセレナイドZnSeなどの結晶である。ガラス状の
物体を基板とすることもある。原料ガスは目的により多
様である。たとえば基板がガリウムヒソで薄膜もガリウ
ムヒソの場合は、砒素の水素化物と、ガリウムの有機金
属化合物を水素ガスとともに用いる。あるいは薄膜がZ
nSeである場合は、Znの有機金属化合物と、Seの
水素化物が原料となる。
【0002】
【従来の技術】薄膜気相成長装置は横型と縦型の2種類
がある。これはガスの流れる方向による分類である。縦
型の装置は円筒状の反応容器を用い、上方から原料ガス
を流すものである。基板はサセプタに水平に支持され
る。サセプタは回転軸のまわりに回転する。円周方向の
薄膜成長の均一性を高めるためである。基板は水平であ
るし回転するので薄膜成長の均一性が良い。しかし原料
ガスが基板に対して垂直に衝突しガスの流れが円滑でな
い。流路が広くてガス流れを速くすることができないの
で、成長速度が遅いなどという欠点がある。
【0003】横型の薄膜気相成長装置は、横に長い反応
容器(リアクタ)を用いる。内部にグラファイトなどの
傾斜サセプタを設ける。サセプタの上に基板を置く。基
板とサセプタはランプやヒータによって加熱される。原
料ガスは一方の端から反応容器に導入される。原料ガス
は水平方向に流れる。原料ガスが基板の近傍で気相反応
を起こす。この反応生成物が基板の上に堆積し薄膜とな
る。いずれの形式も用いられる。それぞれ長所と短所が
ある。横型の気相成長装置は原料ガスの流れがスムーズ
で基板に対する原料ガスの当たりが柔らかであるという
利点がある。流路を狭くすることができるので、原料ガ
スのスピードが速くなる。成長速度を高めることができ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ZnSe薄膜を、ガリ
ウムヒソGaAs基板またはZnSe基板の上に成長さ
せる場合、Znの有機金属とSeの水素化物を原料ガス
として用いる。Znの有機金属としてはDMZ(ジメチ
ルZn)、DEZ(ジエチルZn)などがある。これと
Seの水素化物とは常温でも反応する。そこで両者の原
料ガスが反応容器の入り口で混合すると、そこで反応が
起こってしまう。これを避けるために、一方の原料ガス
のパイプを基板の近傍まで延ばしここからその原料ガス
を基板に向けて噴出するようにすることが提案されてい
る。ガスの流れは一方的であるので、2種類のガスが基
板の直前で初めて混合されるということになる。そして
基板の極近くで反応し反応生成物が基板に薄膜として堆
積することになる。
【0005】ところがこのような一方の原料ガスの供給
口を基板の極めて近くに設けたものにはなお欠点があ
る。ひとつは種類の異なるいくつもの薄膜を次々に形成
してゆく場合である。この場合反応容器の入り口側の先
端にガスの動きの鈍いデッドスペースが発生する。多層
膜を作るには、原料ガスを短い時間で切り替えなければ
ならない。ところが広いデッドスペースがあると、以前
のガスがデッドスペースに残留する。新しく切り替えら
れた原料ガスが、古いガスを追い出してこの空間を満た
すのに時間が掛かる。この間に成長した薄膜は、直前の
材料と現在の材料の混合物を含むようになる。ために多
層膜の境界での組成の変化が鈍くなる。急峻な境界を得
ることができない。
【0006】もうひとつの難点は、従来の原料ガスの導
入口が単純な円形断面のものであったので、ガスを切り
替えたときに、ガス流が乱れる、ということである。ガ
スが乱流になると、気相反応が空間的に不均一になり薄
膜の組成や膜厚が不均一になる。
【0007】このような難点を克服し、デッドスペース
が発生せず、原料ガスを切り替えたときも乱流になら
ず、膜質の一様な薄膜を成長させることのできる気相成
長装置を提供することが本発明の目的である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の気相成長装置
は、原料ガスを吹き込むためのノズルを上下2段に設
け、一方のノズルは基板の近傍まで伸びて開口させ、他
のノズルはそれよりも後方に開口させる。またノズルの
前端にパージガス吹き込み口を設けてノズルの前端から
パージガスを吹き込む。2段のノズル形状を反応容器の
断面形状と相似のものとするのが望ましい。
【0009】
【作用】二つの種類の原料ガスを導入するための原料ガ
スノズルを基板の近傍まで近付けている。基板の近くへ
ゆくまで原料ガスが混合しないので、基板前方での気相
反応を防ぐことができる。ノズルの前端部からパージガ
スを吹き込むが、パージガスのために原料ガスが滞留し
たり後退したりせず、ノズルから出たあとは層流状態を
維持したまま基板にまで到達する。パージガスの作用で
デッドスペースができない。ために多層膜を形成するた
めに原料ガスを切り替えたときに以前の原料ガスが反応
容器に残留するということがなく、薄膜の境界の組成変
化が速い。原料ガスが層流状態で基板に至るので、均一
性の高い薄膜成長を行なうことができる。パージガスと
いうのは、例えば水素、あるいは窒素などである。ガリ
ウム砒素やZnSeの場合はパージガスは水素である。
【0010】またノズルの形状を反応容器の形状と同じ
ようにすれば、パージガスの流れる流路の断面が一様に
なるから、パージガスの流れは均一であり、原料ガスの
流れを乱さない。
【0011】
【実施例】図1は本発明の実施例に係る薄膜気相成長装
置の概略断面図である。図2、図3、図4は、図1のX
−X,Y−Y,Z−Z断面図である。横長の反応容器1
は円筒状の容器である。石英管などで作られる。内部に
は前方に傾斜したサセプタ2が支持シャフト3の先端に
設けられる。サセプタ2の外周部にはこれを加熱するた
めの高周波加熱コイル4が設けられる。
【0012】反応容器1の前方には原料ガスとパージガ
スを導入するためのノズル機構がある。反応容器1の前
方フランジ5にはノズルフランジ6がOリング7を介し
て固定される。ノズルフランジ6は円筒状の容器である
が、これの内部には2段になったノズル体8が着装され
ている。ノズル体8はノズルフランジ6により確実に支
持されているのであるがここでは支持棒などの図示を略
す。ノズルフランジ6には外側に周回ガス通路9があ
る。
【0013】周回ガス通路9には外部からパージガスを
導入するためのパージガス導入管10が設けられる。ノ
ズルフランジ6の内壁には複数のパージガス引き込み口
11が半径方向に穿孔されている。パージガスがパージ
ガス導入管10から周回ガス通路9を通り、パージガス
引き込み口11を経て、反応容器1の前方の最外部の領
域である前部外周空間12に入る。パージガスはこの空
間を層流となって進行する。パージガスは水素、窒素な
どである。目的によりパージガスの種類を選ぶべきであ
る。
【0014】サセプタ2の上には基板13が戴置され
る。基板13は原料ガスに対して斜めになっており、ガ
スの当たりが柔らかい。
【0015】前記のノズル体8は基板13に向いて開口
する2段のノズル構造を有する。図5はノズル体8のみ
の斜視図である。上部のノズルをAノズル14と呼ぶ。
下部のノズルをBノズル15と呼ぶ。いずれも基板の近
くでは矩形断面で断面積もほぼ一様である。しかしノズ
ルフランジ6の近傍では二つが狭い流路になっており円
形の取り付け基部16となっている。取り付け基部16
の端面にはAノズル14とBノズル15に連通する吹き
込み口17、18が開口している。これら両者の吹き込
み口を分離するために、Oリング19が介装される。
【0016】Aノズル14とBノズル15は吹き込み口
から基板側の上開口20、下開口21まで完全に分離さ
れている。ノズル体8は二つの流路を確保するために、
上板22、中板23、下板24、側板25、側板26か
ら形成される。Aノズル14とBノズル15の両方とも
に、流路の断面積が中間で増加している。これによりガ
スの速度が低下し一定速度の整流になる。Oリング19
と、Oリング27を介して、ノズル体8をノズルフラン
ジ6に取り付ける。ノズルフランジ6の端面にはAガス
導入口28とBガス導入口29が穿孔されている。
【0017】ノズルフランジ6にノズル体8を取り付け
ると3つの異なるガス流路ができる。ひとつはAガス導
入口28、吹き込み口17、Aノズル14、上開口20
を通り、基板13の上方位置に至るガス通路である。い
まひとつはBガス導入口29、吹き込み口18、Bノズ
ル15、下開口21を通り、基板13の下方位置に至る
ガス通路である。最後のひとつはパージガス導入管1
0、周回ガス通路9、パージガス引き込み口11、前部
外周空間12を通り、反応容器1の周縁部を通るガス通
路である。
【0018】Aノズル14には、例えばZnの有機金属
ガスを通す。Bノズル15には、Seや硫黄Sの水素化
物のガスを通す。これらのガスはより基板側まで伸びて
いる上開口20よりもさらに基板側の空間で初めて接触
する。ここで気相反応が初めて起こる。Aノズル14や
Bノズル15の形状が平面的であるのは、ここから流れ
出る原料ガスが短時間で混合し、混合ガスが基板13に
均一に接触するためである。このために基板の直径より
も、Aノズル14やBノズル15の開口20、21の横
幅Wを広くしている。基板13がすっぽりと開口20、
21に入る程度であれば開口20、21から出るガスが
一様に基板面に接触してゆく。Aノズル14とBノズル
15の開口の断面積はガス流量に比例するようにすれ
ば、出口での流れが乱れない。
【0019】ノズル8は始めは、細径であり、前方へ進
行するとともに広がり、しかも扁平になり角型の断面に
なってくる。異型のノズルであるが、これは石英管から
作製することができる。あるいはステンレスでも作製す
ることができる。高周波加熱の場合は反応容器は石英管
のようなもので作る。この場合、反応容器もノズル体8
も石英である。しかしヒータは抵抗加熱ヒータを内蔵す
るようにしても良い。この場合は、反応容器をステンレ
ス等の金属製とすることができる。
【0020】Aノズル14はより基板に近い所で開口し
ているので、Bノズル15の材料と混合するのは、基板
の直前においてである。従って基板に到達するまでに低
温域で反応し材料の損失を引き起こすということがな
い。また反応生成物が反応容器の前方の空間に付着しな
いので、これにより薄膜が汚染される恐れがない。
【0021】デッドスペースについて述べる。このよう
にAノズル14、Bノズル15をともに反応容器1の奥
深くまで差し込んでいると、反応容器の上流側にデッド
スペースができるはずである。しかし、本発明では反応
容器1の上流側からパージガスを流しているので、ガス
の流れが逆流するということがない。常にパージガスが
流れているので原料ガスが反応容器を逆流し前部に滞留
するということがない。パージガスはデッドスペースを
なくすということの他に、壁面に反応生成物が付着する
のを防ぐことができるという利点もある。
【0022】ノズルの開口の高さHと、幅Wは自在に設
定することのできるパラメータである。
【0023】
【発明の効果】本発明の気相成長装置は、二本のガスノ
ズルを上下に持ち、一本は基板の極近くに開口し、他方
も基板の近くに開口している。さらにパージガスを反応
容器の前端の外周部から吹き込んでいる。このためにつ
ぎのような効果をもたらす。 1.パージガスを吹き込むので反応容器内にデッドスペ
ースが発生しない。 2.ガスの流れが層流になる。 3.原料ガスの切り替えをしたとき、残留ガスが残ら
ず、反応容器内のガスが急速に新しいガスによって置換
される。境界での組成変化のはっきりした多層膜を成長
させることができる。
【0024】4.2種類のガスを基板の直前で混合する
ことができる。 5.ノズルの吹き出し口の形状を最適化することによ
り、膜厚均一性の良い成膜が可能である。 6.パージガスを流しているので、反応容器の内壁に反
応生成物が付着するのを防止することができる。これに
より不純物が薄膜に含まれるのを防ぎ、高純度の薄膜形
成をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る薄膜気相成長の全体断面
図。
【図2】図1のX−X断面図。
【図3】図1のY−Y断面図。
【図4】図1のZ−Z断面図。
【図5】ノズル体の斜視図。
【符号の説明】
1 反応容器 2 サセプタ 3 支持シャフト 4 高周波加熱コイル 5 前方フランジ 6 ノズルフランジ 7 Oリング 8 ノズル体 9 周回ガス通路 10 パージガス導入管 11 パージガス引き込み口 12 前部外周空間 13 基板 14 Aノズル 15 Bノズル 16 取り付け基部 17 吹き込み口 18 吹き込み口 19 Oリング 20 上開口 21 下開口 22 上板 23 中板 24 下板 25 側板 26 側板 27 Oリング 28 Aガス導入口 29 Bガス導入口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−66621(JP,A) 特開 平5−226257(JP,A) 特開 平6−13331(JP,A) 特開 平6−216030(JP,A) 特開 平5−90161(JP,A) 特開 平4−279024(JP,A) 特開 平4−10667(JP,A) 特開 昭63−313826(JP,A) 特開 昭62−226887(JP,A) 特開 昭62−66622(JP,A) 実開 平1−125368(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/205 C23C 16/44 C30B 25/14 H01L 21/365

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 横長の反応容器1と、反応容器1の中に
    収容され基板13を保持するサセプタ2と、サセプタ2
    を加熱するためのヒータと、反応容器1の上流側から反
    応容器に挿入され上下2段になったAノズル14とBノ
    ズル15よりなるノズル体8と、Aノズル14に原料ガ
    スを供給するためのAガス導入口と、Bノズル15に異
    なる原料ガスを供給するBガス導入口と、反応容器1の
    周辺部にパージガスを導入するパージガス導入管とを含
    み、Aノズル14の開口が基板の直前にあり、Bノズル
    15の開口も基板の近くにあって、異なる原料ガスが基
    板の直前で混合し、パージガスはノズル体8の周囲を流
    れて原料ガスの逆流、滞留を防ぐようにしたことを特徴
    とする薄膜気相成長装置。
  2. 【請求項2】 横長の反応容器1と、反応容器1の中に
    収容され基板13を保持するサセプタ2と、サセプタ2
    を加熱するためのヒータと、反応容器1の上流側から反
    応容器に同心状に挿入され上下2段になったAノズル1
    4とBノズル15よりなるノズル体8と、Aノズル14
    に原料ガスを供給するためのAガス導入口と、Bノズル
    15に異なる原料ガスを供給するBガス導入口と、反応
    容器1の周辺部にパージガスを導入するパージガス導入
    管とを含み、ノズル体8は反応容器と相似形の断面を持
    ち、開口の近傍では、Aノズル14、Bノズル15は平
    坦な矩形断面を持ち、Aノズル14の開口が基板の直前
    にあり、Bノズル15の開口も基板の近くにあって、異
    なる原料ガスが基板の直前で混合し、パージガスはノズ
    ル体8の周囲を流れて原料ガスの逆流、滞留を防ぐよう
    にしたことを特徴とする薄膜気相成長装置。
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