JP5172617B2 - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等の気相成長装置及び気相成長方法に関するものである。
従来、発光ダイオード及び半導体レーザ等のデバイスの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）又はアルシン（ＡｓＨ３）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられている。
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを不活性ガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。
つまり、原料ガスからどれだけ多くの結晶を成膜できたかを示す成膜効率が高い方が望ましい。また、良好なデバイスとして活用するには、膜厚及び組成比が均一であることが望まれる。
図１５に、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置の一例の模式的な構成を示す。
このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源１０２から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３が接続されており、反応炉１０１における内部の成長室１１１の上部には該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。
また、反応炉１０１における成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端にはシャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には該サセプタ１０８を加熱するためのヒータ１０９が取り付けられている。
さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。
上記のような構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、サセプタ１０８に基板１０７が設置され、その後、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８が回転させられる。そして、ヒータ１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７が所定の温度に加熱されると共に、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスが導入される。
複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出孔から基板１０７に向けて反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。
しかし、この方法では、ヒータ１０９とシャワープレート１１０との距離（ギャップ）が小さいので、反応ガスが基板１０７上に到達し反応せしめて薄膜を形成する前に、シャワープレート１１０表面で一部の化学反応が発生してしまう。この理由は、ヒータ１０９からの輻射熱により、シャワープレート１１０表面が加熱されてしまうためである。これにより、シャワープレート１１０表面で生成物が形成されてしまい、シャワープレート１１０のガス吐出孔が生成物により詰まりを起こしてしまい、原料ガス及び不活性ガスが均一に基板１０７の表面に到達できなくなってしまい、均一な薄膜を形成することができなかった。
また、ヒータ１０９からの輻射熱によりシャワープレート１１０が過熱されてしまい、その影響で均一な温度で原料ガスを基板１０７の上方まで到達させることができず、その結果、均一な薄膜を形成することができなかった。
この問題を解決するため、例えば、特許文献１に開示された気相成長装置２００では、図１６に示すように、シャワープレート２０１の内部（ガス通路部を除く）に冷媒を導入し、シャワープレート２０１の内部におけるガス通路部の上下及び側面から冷却を行い輻射熱によるシャワープレート２０１の温度上昇を抑制している。また、側壁２０２には冷媒ジャケット２０３を配置し、その内部にも冷媒を導入し、合わせてシャワープレート２０１の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
また、近年では、複数の供給ガスそれぞれに、バッファエリアを設け、このバッファエリアからそれぞれの反応ガスをシャワープレートのガス吐出孔を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が一般的によく用いられる。これは、シャワーヘッド内で気相反応が生ずるのを避けるためである。この場合、III 族系ガス吐出孔とＶ族系ガス吐出孔とは交互に近接配置されるため、例えば、図１７に示す特許文献２に開示された反応容器３００のように、III 族系ガスのバッファエリア３０１とＶ族系ガスのバッファエリア３０２とを２層に上下に配置し、それぞれのガスが成長室３０３以外で混合しないように、ガス流路が分離された積層構造がよく用いられている。
この特許文献２に開示された反応容器３００においても、シャワープレート３０４の上面に冷却チャンバ３０５を設け、ギャラリー３０６を介して冷媒を導入し、シャワープレート３０４の冷却を行い、シャワープレート３０４の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
特開２００６−２１６８３０号公報（２００６年８月１７日公開）
特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）
ところで、基板上に均一な膜厚分布の薄膜を再現性よく成長させるには、反応ガスが均等な温度分布で被成膜基板の上方まで到達する必要があり、かつ反応ガスを均等な流れで気相反応させることが必要である。
しかしながら、従来の特許文献１に開示された気相成長装置２００では、冷媒供給口２０４と冷媒排出口２０５とを有する冷媒外環室は隔壁で区画された構造になっていないため、冷媒供給口２０４から冷媒排出口２０５への流れが規定されない。このため、シャワープレート２０１全域への冷媒の供給が困難となり、均一なシャワープレート２０１の冷却を行うことができない。この結果、部分的な冷却不足による、原料ガスの反応によるガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。また、シャワープレート２０１の内部を通過する原料ガスの温度が不均一となり、基板２０６の上方に到達する原料ガスの温度が均一ではなくなるため、膜厚分布が均一にならないという問題が生じる。
また、特許文献２では、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５を設けて、直接的にシャワープレート３０４を冷却しているため、特許文献１に比べてシャワープレート３０４の温度均一性は向上する。
しかしながら、特許文献２でも、冷却部が区画された構造を有していないため、シャワープレート３０４の全域の温度均一性が取れなくなってしまう。ましてや、シャワープレート３０４が大型化すると、シャワープレート３０４の温度の不均一性という問題がより顕著に発生し、シャワープレート３０４の内部を通過する反応ガスの温度不均一という問題が生じる。これは、シャワープレート３０４が大型化すればするほど、冷媒の奪う熱量が大きくなり、充分に冷却できず、排出部に到達する前に冷媒が温められてしまうからである。
また、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５が配置されていることから、シャワープレート３０４の上面と下面との間に距離が発生してしまい、冷却能力が充分に発揮されず、その結果、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。なお、このガス吐出孔の詰まりという問題は、上述したシャワープレート３０４の温度が部分的に不均一となる場合にも生じる問題である。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置及び気相成長方法を提供することにある。
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを介して被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていることを特徴としている。
本発明の気相成長方法は、上記課題を解決するために、ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを介して被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長方法において、シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とを、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層し、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管を貫通して設け、上記冷媒中間室の周囲に、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室を設け、上記冷媒外環室には、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備え、上記冷媒を、上記冷媒導入口から冷媒外環導入室に導入した後、上記冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒中間室に流入し、該冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して上記冷媒外環排出室へ流入し、該冷媒外環排出室の冷媒排出口から排出することを特徴としている。
上記の発明によれば、シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられている。
したがって、冷媒中間室の周囲に設けられた環状の冷媒外環室に導入された冷媒は、本来であれば、冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒中間室に流入する。しかし、冷媒中間室には複数のガス供給管が貫通して設けられているので、冷媒中間室の内部は冷媒の流入抵抗が大きい。その結果、冷媒外環室に導入された冷媒は、そのまま抵抗の小さい冷媒外環室を通って、冷媒排出口から外部に排出され、抵抗の大きい冷媒中間室には冷媒が均一に流通しないことになる。
そこで、本発明では、これを回避するために、冷媒外環室は、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えている。
この結果、冷媒は、冷媒導入口から冷媒外環導入室に導入された後、上記冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒中間室に流入し、該冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して上記冷媒外環排出室へ流出し、該冷媒外環排出室の冷媒排出口から排出される。
すなわち、冷媒外環室に隔壁を設けることによって、冷媒外環室を冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とに区画し、冷媒が冷媒外環室内のみを通過して冷媒中間室に流入しないのを防止している。
したがって、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置及び気相成長方法を提供することができる。
本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁には、前記冷媒用開口は１個以上設けられていると共に、上記冷媒用開口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒用開口は、周方向に、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口と前記冷媒外環排出室の冷媒排出口とを結ぶ直線に対して線対称に配置されていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室に導入された冷媒は、冷媒用開口付き環状壁に１個以上設けられた冷媒用開口から冷媒中間室に流入されるので、冷媒は必ず冷媒中間室を通ることになる。
また、本発明では、冷媒用開口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒用開口は、周方向に、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口と前記冷媒外環排出室の冷媒排出口とを結ぶ直線に対して線対称に配置されている。このため、冷媒外環導入室に導入された冷媒は、冷媒用開口付き環状壁における線対称に配置された冷媒用開口から冷媒中間室に左右対称に流入される。
したがって、冷媒は冷媒中間室において均等に流通するので、シャワープレートの全域が偏ることなく冷却される。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁に冷媒用開口が複数個存在する場合には、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口に近い冷媒用開口ほど、該冷媒用開口の開口径が大きいことが好ましい。
すなわち、冷媒は抵抗の少ない方へ流れるので、冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を同じ開口径に形成した場合には、冷媒は冷媒中間室に流入するよりも冷媒外環導入室の奥である隔壁側に流れる。
しかし、本発明では、冷媒外環導入室の冷媒導入口に近い冷媒用開口ほど、該冷媒用開口の開口径が大きいので、冷媒外環導入室の冷媒導入口に近い冷媒用開口への流入抵抗が少なくなる。
したがって、冷媒用開口付き環状壁の各冷媒用開口から均一の流量で冷媒を冷媒中間室に流入させることができるので、冷媒がシャワープレートの全域に流れるようにすることができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁には、冷媒用開口は１個以上設けられていると共に、上記冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積は、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積と同一か又はそれ以上であることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室に導入された冷媒は、冷媒用開口付き環状壁に１個以上設けられた冷媒用開口から冷媒中間室に流入されるので、冷媒は必ず冷媒中間室を通ることになる。
また、本発明では、冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積は、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積と同一か又はそれ以上である。
このため、冷媒中間室において、冷媒が出口側である冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁の手前で流出されずに滞留するということがない。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における、該冷媒用開口が存在する領域のシャワープレート側及びガス中間室側には、周方向に繋がった壁面が存在していることが好ましい。
これにより、冷媒用開口付き環状壁を上部つまりガス中間室側又は下部つまりシャワープレート側から固定する場合に、冷媒用開口付き環状壁が周方向において完全に一つの一体構造部材となっているので、冷媒用開口付き環状壁の強度が補強され、補強冷媒の流入圧力及び上部又は下部からの締結部品の圧力による変形がなくなり、冷媒をシャワープレート全域に流れるようにすることができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁に設けられた冷媒用開口は、少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口を有していることが好ましい。
これにより、シャワープレートの直径が大きくなった場合に、冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口からから吐出する冷媒の流量を飛躍的向上させることができ、冷媒の流量不足によるシャワープレートの冷却不足を発生させることなく冷媒をシャワープレート全域に流れるようにすることができる。
また、開口率の異なる２種類以上の冷媒用開口にて異なる流速の冷媒を同時に導入することができるので、冷媒中間室の内部で乱流を起こすことができ、シャワープレート内部全域に冷媒が流れることが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒用開口における少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、冷媒用開口付き環状壁における周方向に直交する方向に対を成して設けられていることが好ましい。すなわち、開口率の異なる２種類以上の開口は、冷媒の流れに対してそれぞれが上下方向に存在することが好ましい。
これにより、開口率の異なる２種類以上の冷媒用開口は冷媒用開口付き環状壁における周方向に直交する方向に対を成して設けられているので、冷媒の流れは縦方向の渦流となる。ここで、本発明では、冷媒中間室には、ガス中間室からシャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられているので、冷媒の流れを縦方向の渦流とすることによって、これら複数のガス供給管の障害物の間で巻き込み型の乱流を起こすことができる。この結果、シャワープレート内部全域に冷媒を効率よく流すことが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒用開口における少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、円形状孔と周方向に長く形成された長孔とを含んでいることが好ましい。
これにより、開口率の異なる２種類以上の開口を円形状孔と周方向に長く形成された長孔とすることによって、確実に、縦方向の乱流を起こすことができ、シャワープレート内部全域に冷媒を効率よく流すことが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室には、前記冷媒導入口は周方向に１個以上設けられていると共に、上記冷媒導入口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒導入口は冷媒外環導入室の中央位置を軸とする線対称となるように配置されていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室に導入された冷媒は、冷媒用開口付き環状壁に１個以上設けられた冷媒用開口から冷媒中間室に流入されるので、冷媒は必ず冷媒中間室を通ることになる。
また、本発明では、冷媒導入口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒導入口は冷媒外環導入室の中央位置を軸として線対称となるように配置されているので、冷媒は左右対称の複数かつ偶数個存在する冷媒導入口から冷媒外環導入室に均一に分流される。
したがって、冷媒外環導入室における冷媒用開口付き環状壁の各冷媒用開口から均一の流量で冷媒を冷媒中間室に流入させることができるので、冷媒がシャワープレートの全域に流れるようにすることができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環排出室には、前記冷媒排出口は前記冷媒導入口と同数個設けられていると共に、上記冷媒排出口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒排出口は冷媒外環排出室の中央位置を軸として線対称となるように配置されていることが好ましい。
これにより、冷媒は冷媒外環排出室において、左右対称の複数かつ偶数個存在する冷媒排出口から均一に分流して排出される。この結果、冷媒中間室についても冷媒の左右対称の均一な流れを提供することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室における冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口は、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口とは同一半径方向にならないように形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室の冷媒導入口から導入された冷媒が、直線的に冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通過し、冷媒外環導入室の全体に充分に行き渡らなくなるのを抑制することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環排出室における冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口は、上記冷媒外環排出室の冷媒排出口とは同一半径方向にならないように形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒中間室内の冷媒が、冷媒外環排出室における冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒外環排出室の冷媒排出口に直線的に排出されるのを抑制することができる。したがって、冷媒中間室内の冷媒の偏流を抑制することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における、前記冷媒導入口の対向位置には、三角形状の突起が設けられていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室の冷媒導入口から導入された冷媒は、冷媒用開口付き環状壁における、冷媒導入口の対向位置に設けられた三角形状の突起によって、分流される。
したがって、冷媒外環導入室に導入された冷媒を冷媒外環導入室において左右対称に均等に分流することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環排出室に冷媒排出口が周方向に２個存在する場合には、上記冷媒外環排出室における２個の冷媒排出口の間に、三角形状の突起が設けられていることが好ましい。
これにより、冷媒外環排出室における２個の冷媒排出口の間に設けられた三角形状の突起によって、２個の冷媒排出口に対して均一に分流して冷媒を排出することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環室の冷媒用開口付き環状壁に形成された冷媒用開口、冷媒外環室の隔壁、又は冷媒外環導入室の冷媒導入口の少なくとも１つには、冷媒の流れを滑らかにするテーパが形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒用開口、冷媒外環室の隔壁、又は冷媒外環導入室の冷媒導入口において、テーパにより冷媒の流れが滑らかになり、層流により、冷媒中間室内に均一に冷媒を流入させることができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室は、冷媒導入口から隔壁に向かうに伴って狭小幅となるように形成されていることが好ましい。
すなわち、冷媒外環導入室が同じ幅で形成されている場合には、抵抗が少ないことからより冷媒はより奥へ進入しようとする。しかし、本発明では、前記冷媒外環導入室は、冷媒導入口から隔壁に向かうに伴って狭小幅となるように形成されているので、奥に向かうに伴って冷媒の流れの抵抗となる。
この結果、冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁の各冷媒用開口から、均一に冷媒を流入させることが可能となる。
また、本発明の気相成長装置では、前記シャワープレート上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを導入するガス導入口がそれぞれ設けられていることが好ましい。
これにより、異なる複数種類のガスをシャワープレート上のガス中間室で混合することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記シャワープレート上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを混合して導入する１個のガス導入口が設けられていることが好ましい。
これにより、ガス中間室の手前で複数種類のガスを混合した後、１個のガス導入口からシャワープレート上のガス中間室に導入することができる。
また、本発明の気相成長装置では、前記シャワープレート上に積層されたガス中間室は、異なる複数種類のガスをそれぞれ充満させるガス個別中間室からなっていると共に、上記冷媒中間室、及び最上層よりも下層に設けられたガス個別中間室には、上層に設けられたガス個別中間室から上記シャワープレートの複数の各ガス吐出孔に連通する複数のガス個別供給管が貫通して設けられていることが好ましい。
これにより、複数種類のガス個別中間室を積層した場合においても、各複数種類のガスを、混合することなく、各ガス個別中間室から各ガス個別供給管を通してシャワープレートの各ガス吐出孔から成長室内の被成膜基板に向けて供給することができる。
本発明の気相成長装置は、以上のように、シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えているものである。
また、本発明の気相成長方法は、以上のように、シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とを、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層し、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管を貫通して設け、上記冷媒中間室の周囲に、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室を設け、上記冷媒外環室には、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備え、上記冷媒を、上記冷媒導入口から冷媒外環導入室に導入した後、上記冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒中間室に流入し、該冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して上記冷媒外環排出室へ流入し、該冷媒外環排出室の冷媒排出口から排出する方法である。
それゆえ、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置及び気相成長方法を提供するという効果を奏する。
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
本発明の一実施形態について図１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
図２に、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１０の模式的な構成の一例を示す。
本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、図２に示すように、中空部である成長室１を有する反応炉２と、被成膜基板３を載置するサセプタ４と、上記サセプタ４に対向しかつ底面にシャワープレート２１を持つガス供給手段としてのシャワーヘッド２０とを含んでいる。
上記サセプタ４の下側には被成膜基板３を加熱するヒータ５及び支持台６が設けられており、支持台６に取り付けた回転軸７が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、上記サセプタ４及びヒータ５が、サセプタ４の上面（シャワープレート２１側の面）が対向するシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。上記サセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７の周囲には、ヒータカバーである被覆板８が、これらサセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７を取り囲むように設けられている。
また、ＭＯＣＶＤ装置１０は、成長室１の内部のガスを周辺のガス排出口１ａを通して外部に排出するためのガス排出部１１と、このガス排出部１１に接続されたパージライン１２と、このパージライン１２に接続された排ガス処理装置１３とを有している。これにより、成長室１の内部に導入されたガスはガス排出部１１を通して成長室１の外部に排出され、排出されたガスはパージライン１２を通って排ガス処理装置１３に導入され、排ガス処理装置１３において無害化される。
さらに、ＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族元素を含む原料ガスとしてのIII 族系ガスの供給源となるIII 族系ガス供給源３１と、このIII 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのIII 族系ガス配管３２と、III 族系ガス供給源３１から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３３とを有している。上記III 族系ガス供給源３１は、III 族系ガス配管３２によって、マスフローコントローラ３３を介して、シャワーヘッド２０のIII 族系ガス供給部２３に接続されている。
なお、本実施の形態において、III 族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩｎ（インジウム）等があり、III 族元素を含むIII 族系ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。
また、このＭＯＣＶＤ装置１０は、Ｖ族元素を含む原料ガスとしてのＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源３４と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのＶ族系ガス配管３５と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されるＶ族系ガスの供給量を調節することができるＶ族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３６とを有している。上記Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族系ガス配管３５によって、マスフローコントローラ３６を介してシャワーヘッド２０のＶ族系ガス供給部２４に接続されている。
なお、本実施の形態において、Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）又はＡｓ（ヒ素）等があり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
上記マスフローコントローラ３３・３６は図示しない制御部にて制御されるようになっている。
また、本実施の形態では、III 族系ガス供給部２３とシャワープレート２１との間に冷媒供給部２２が設けられており、この冷媒供給部２２には、シャワープレート２１を冷却するために、冷媒装置３７から冷媒供給配管３８を通して冷媒が供給されるようになっている。この冷媒は、シャワープレート２１の冷却を行った後、冷媒排出配管３９を通して図示しない排出ユーティリティへ排出されるようになっている。
なお、冷媒は、例えば、一般的な水を用いることができるが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。
次に、図３を用いてシャワーヘッド２０の構成を説明する。
シャワーヘッド２０は、図３に示すように、下から順番に、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４が積層されて構成されている。
上記シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４は積層配置であるため、本実施の形態では、Ｖ族系ガス供給部２４におけるガス中間室及びガス個別中間室としてのＶ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、ガス中間室及びガス個別中間室としてのIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ、及び冷媒中間室としての冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのＶ族系ガス供給管２４ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１に吐出される。
また、III 族系ガス供給部２３におけるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂのIII 族系ガスは、冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのIII 族系ガス供給管２３ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３から成長室１に吐出される。
以下、それぞれについて、詳細に説明する。
まず、図１に、図２に示すＭＯＣＶＤ装置１０に用いられるシャワープレート２１の一例の模式的な平面図を示す。
図１に示すように、シャワープレート２１には、前記成長室１にIII 族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート２１の面内（前記サセプタ４に向かい合っている表面内）において、III 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５とが交互に配列されている。図１に示す例においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。ただし、この格子は正方格子に限らず、菱形の格子等でもよい。また、図１に示す構成のシャワープレート２１における、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の開口部の面積と、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５の開口部の面積とは同一となっている。
次に、各ガス供給部について説明する。
図３に示すように、III 族系ガス供給部２３は、シャワーヘッド２０の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔Ｈ３に導くため、III 族系ガス外環流路２３ａと、III 族系ガスバッファエリア２３ｂと、このIII 族系ガスバッファエリア２３ｂから成長室１に連通するIII 族系ガス供給管２３ｃとにより構成されている。なお、III 族系ガス供給管２３ｃの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
一方、同様に、Ｖ族系ガス供給部２４は、シャワーヘッド２０の周辺部より供給された反応ガスを均一にＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に導くため、冷媒外環室としてのＶ族系ガス外環流路２４ａと、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂと、Ｖ族系ガス供給管２４ｃとにより構成されている。なお、Ｖ族系ガス供給管２４ｃの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
ここで、図４は、Ｖ族系ガス外環流路２４ａを示す斜視図である（III 族系ガス外環流路２３ａも構造は同じであるため、説明は省略する）。
例えば、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの横方向から供給されたＶ族系ガスは、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの内周側に均等配置された複数の開口Ｈを有する開口付き内側壁であるＶ族系ガス開口付きリング２４ｄを介して、半径方向の内部に均一にＶ族系ガスバッファエリア２４ｂへ供給される。そして、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、前記複数のＶ族系ガス供給管２４ｃを通って、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１へ供給される。
すなわち、図３に示すように、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ内には、Ｖ族系ガス供給管２４ｃが、それぞれのガスが混合しないよう分離されて配置されている。つまり、III 族系ガスバッファエリア２３ｂの平面においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の位置には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂからIII 族系ガス吐出孔Ｈ３へ連通されるIII 族系ガス供給管２３ｃが配置されていると共に、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５の位置には、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂからＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通されるＶ族系ガス供給管２４ｃが柱のように林立していることになる。
次に、冷媒供給部２２について、図１及び図５（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
上記冷媒供給部２２は、図１に示すシャワープレート２１を一定の温度以下に冷却することによって、シャワープレート２１への反応生成物の付着を抑制し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを防止する。
ところで、この冷媒供給部について、例えば、図１４に示す従来の特許文献３に記載の反応容器３００では、冷媒を、ギャラリー３０６を介して冷却チャンバ３０５内に導入している。このため、冷媒がショートカットして流れる等、冷却チャンバ３０５の冷媒の流れが悪く、その結果、冷却能力が充分に発揮されず、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じていた。
そこで、本実施の形態では、このような課題を解決するために、シャワーヘッド２０の冷媒供給部２２を、図５（ａ）（ｂ）に示す構成としている。
すなわち、シャワーヘッド２０は、外側枠を構成する環状のフランジ２５と、このフランジ２５の最底面部に取り付けられるシャワープレート２１と、前記冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂをそれぞれ上下方向で区画するために上記シャワープレート２１と平行に配される境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃとを備えている。
そして、上記シャワープレート２１と境界板２６ａとの間には、冷媒を前記冷媒バッファエリア２２ｂに流入させる冷媒外環室２７をフランジ２５の内側側面に形成するための冷媒用開口付き環状壁としての冷媒用開口付きリング２２ｄが設けられている。また、上記境界板２６ａと境界板２６ｂとの間には、III 族系ガスを前記III 族系ガスバッファエリア２３ｂに流入させるIII 族系ガス外環流路２３ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのIII 族系ガス開口付きリング２３ｄが設けられている。さらに、上記境界板２６ｂと天板２６ｃとの間には、Ｖ族系ガスを前記Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂに流入させるＶ族系ガス外環流路２４ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのＶ族系ガス開口付きリング２４ｄが設けられている。
上記冷媒外環室２６には、フランジ２５の一端に設けられた冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａから冷媒が供給される。そして、この冷媒外環室２６の冷媒は、このフランジ２５における冷媒供給配管３８とは１８０度対向する位置に設けられた冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａ（図１参照）から排出されるようになっている。
本実施の形態では、特に、この環状の冷媒外環室２７を冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに区画する冷媒外環室隔壁２７ｃが、複数箇所としての例えば２箇所に設けられている。具体的には、冷媒外環室隔壁２７ｃは、冷媒外環室２７における、上記冷媒供給配管３８から例えば±９０度の位置にそれぞれ設けられている。なお、この±９０度の位置は、必ずしもこれに限らない。すなわち、冷媒外環室隔壁２７ｃ・２７ｃは、冷媒外環室２７において、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ直線に対して、線対称となるように設けられていればよい。
上述したフランジ２５、シャワープレート２１、境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃ、冷媒用開口付きリング２２ｄ、III 族系ガス開口付きリング２３ｄ及びＶ族系ガス開口付きリング２４ｄ、並びに冷媒外環室隔壁２７ｃは、各冷媒及び各原料ガスが漏れないように、溶接により一体化されている。また、これにより、冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂがそれぞれ独立した部屋となっている。
上記構成の冷媒外環室２７を備えたシャワーヘッド２０における冷媒の流通経路について、図１に基づいて説明する。図１は、冷媒外環室２７における冷媒外環導入室２７ａを通して、冷媒バッファエリア２２ｂ及び冷媒外環排出室２７ｂへ冷媒を流した状態のシミュレーションを実施した結果を示す。
シミュレーション条件は、冷媒供給配管３８から１ｍ／ｓの流速にて冷媒を導入する条件にて実施した。本条件は、冷媒バッファエリア２２ｂ内を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの表面積、及び個数から算出されるコンダクタンスから設定した値である。
また、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの寸法は、内径Φ１７６ｍｍ、外径Φ２３０ｍｍ、及び高さ１０ｍｍとし、冷媒外環室隔壁２７ｃはそれぞれ線対称で２箇所配置している。
さらに、冷媒外環導入室２７ａの側壁である冷媒用開口付きリング２２ｄから冷媒を流入する冷媒用開口としての冷媒流入開口Ｈｉｎの直径はΦ５ｍｍとし、冷媒供給配管３８を中心に周方向に対称となるようにして１８個配置している。同様に、冷媒外環排出室２７ｂの冷媒用開口としての冷媒排出開口Ｈｏｕｔの直径及び配置についても、冷媒排出配管３９を中心に周方向に対称となるように１８個配置している。
この結果、冷媒の流れに関し、図１に示すように、冷媒外環室隔壁２７ｃを設けて冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂを経由したことにより、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部に充分に供給されていることがわかる。
しかしながら、領域Ａ１においては、冷媒の流速が停滞しているため、領域Ａ１近傍の反応ガス噴出口で余分な反応及び析出が発生し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５を詰まらせてしまい、原料ガス噴出が均一に行われないことがわかった。
また、原料ガスの温度も領域Ａ１近傍では高いものとなり、被成膜基板３に原料ガスが到達する前に、原料ガス温度が一定とならないために、薄膜を形成する際に均一な薄膜が形成されない問題がある。
そこで、この問題を解決するために、冷媒外環導入室２７ａから冷媒を導入する冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒流入開口Ｈｉｎの大きさを変更した。
冷媒流入開口Ｈｉｎの大きさを変更したシミュレーション結果を図６に示す。
前述したように、図１では、冷媒外環導入室２７ａからの冷媒流入開口Ｈｉｎは全て同一の開口直径としていた。
図６に示すシミュレーションでは、冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａに最も近い孔をΦ１０ｍｍに拡大し、以降、線対称でそれぞれ二つずつの冷媒流入開口Ｈｉｎをそれぞれ１０％ずつ小さくした。ただし、冷媒外環排出室２７ｂに通じる冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒排出開口Ｈｏｕｔの直径については、変更しないものとした。これは、冷媒排出開口Ｈｏｕｔのコンダクタンスを一定にしないと、冷媒が流れ易い方へ偏ってしまい、結果としてシャワープレート２１を均等に冷却できない問題が発生するためである。
なお、シミュレーション条件は図１の場合の条件と同等とした。
シミュレーション結果をみると、図６においては、領域Ａ１における冷媒の流れの停滞が改善されていることが分かる。
これにより、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒排出開口Ｈｏｕｔの面積を適度に変えることにより、シャワープレート２１の全体が均一に冷却され、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５及びIII 族系ガス吐出孔Ｈ３で余分な析出がなくなり、反応ガスが均一に被成膜基板３に到達することが可能となる。
また、シャワープレート２１が均一に冷却されるため、その冷媒バッファエリア２２ｂを貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃのIII 族系ガス及びＶ族系ガスの温度も均一となり、安定した薄膜を形成することが可能となった。
次に、比較例として、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２７ｃを設けない場合について、シミュレーションを実施した結果を図７に示す。
図７に示すシミュレーション結果では、シャワープレート２１の中心部へは殆ど冷媒が供給されていないことが分かる。すなわち、殆どの冷媒は、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を通らず、冷媒外環室２７内をそのまま通過し、冷媒排出配管３９へ流れていく。
この結果から、比較例では、III 族系ガス供給管２３ｃ又はＶ族系ガス供給管２４ｃが冷媒バッファエリア２２ｂの内部に無数に存在しているため、冷媒にとっては非常に抵抗が大きく、全て流速抵抗が少ない方へ冷媒が流れているのが分かる。
したがって、この結果から、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２７ｃ・２７ｃを設け、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに区画することが効果的であることが分かった。
また、上記の説明においては、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔは、それぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの形状は特に限定されず、例えば、矩形又は楕円形等の形状にすることができる。さらに、本発明においては、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの形状はそれぞれ同一であってもよく、その少なくとも一部が異なっていてもよい。
さらに、本実施の形態では、冷媒外環室２７においては、冷媒外環室隔壁２７ｃを２個設けたため、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂがそれぞれ一室ずつとなったが、必ずしもこれに限らず、例えば、冷媒外環室隔壁２７ｃを複数設けて、各室を増やしてもよい。
また、本実施の形態では、図１に示すように、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒流入開口Ｈｉｎの配設位置は、冷媒供給配管３８の冷媒外環導入室２７ａへの導入口と直線的に対向する位置とはならないようになっている。詳細には、冷媒流入開口Ｈｉｎと冷媒供給配管３８の冷媒外環導入室２７ａへの冷媒導入口３８ａとは同一半径方向に存在しないようになっている。これによって、冷媒供給配管３８の冷媒導入口３８ａから供給される冷媒が、冷媒外環導入室２７ａに循環せずに、冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａの近傍の冷媒流入開口Ｈｉｎから集中的に冷媒バッファエリア２２ｂの内部に入ることを回避している。
同様にして、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒排出開口Ｈｏｕｔの配設位置は、冷媒外環排出室２７ｂから冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａと直線的に対向する位置とはならないようになっている。詳細には、冷媒排出開口Ｈｏｕｔと冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａとは同一半径方向に存在しないようになっている。これによって、冷媒バッファエリア２２ｂ内の冷媒が、該冷媒バッファエリア２２ｂ内を均一に流れずに、冷媒供給配管３８への冷媒導入口３８ａの近傍の冷媒流入開口Ｈｉｎから集中的に排出されることを回避している。
最後に、III −Ｖ族化合物半導体結晶を本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いたＭＯＣＶＤ法により成長させてIII −Ｖ族化合物半導体を製造する方法を、図２に基づいて説明する。
図２に示す構成の本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、III −Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる際には、まず、サセプタ４上に下地となる被成膜基板３が設置される。その後、回転軸７の回転により、サセプタ４の上面に設置された被成膜基板３の表面がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ５の加熱により、サセプタ４を介して被成膜基板３が所定の温度に加熱される。そして、シャワープレート２１に形成されているIII 族系ガス吐出孔Ｈ３からIII 族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入されると共に、シャワープレート２１に形成されているＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からＶ族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。
これにより、被成膜基板３の表面上にIII −Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、III 族系ガスの供給量及びＶ族系ガスの供給量は、図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３・３６にて制御され、III 族系ガス及びＶ族系ガスのそれぞれが成長室１に供給されることになる。
III 族系ガス及びＶ族系ガスは、シャワープレート２１に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からそれぞれ供給されていることから、被成膜基板３の表面上方におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５との分布の偏りを低減することができる。
III 族系ガスとＶ族系ガスとが混合し濃度分布が均一となり、ヒータ５による被成膜基板３の加熱と相俟ってIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応が被成膜基板３の表面近傍において進行する。
ここで、本実施の形態では、冷媒供給部２２が設けられており、冷媒供給部２２では冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２７ｃ・２７ｃが設けられているので、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部を効率よく循環する。この結果、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃのIII 族系ガス及びＶ族系ガス供給管２４ｃのＶ族系ガスが充分に冷却されるので、シャワープレート２１のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５でガスが反応して析出し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５が詰まるということがない。
したがって、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いた場合には、従来の特許文献１〜２に記載の装置を用いた場合と比べて、被成膜基板３の表面におけるIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応の均一性を向上することができる。
すなわち、シャワープレート２１全面の温度及び反応ガスの温度を均一にすることにより、シャワープレート２１の表面、及びガス投入口での生成物付着によるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の詰り起因による流れの乱れをなくすことができる。また、反応ガスの温度均一化を図ることにより生成膜厚や組成比を向上させることができる。
なお、上記においては、III 族系ガス及びＶ族系ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス及びＶ族系ガスと共に、不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室１に供給してもよい。
また、上記においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の形状は特に限定されず、例えば、多角形又は楕円形等の形状にすることができる。
また、上記においては、被成膜基板３を１枚設置した場合について説明したが、本発明においては、被成膜基板３は１枚だけでなく複数枚設置してもよい。
さらに、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置１０を構成する反応炉２、シャワープレート２１及びその他の部材の形状が、図２に示す形状に限定されないことは言うまでもない。
例えば、上記の説明では、冷媒バッファエリア２２ｂの上には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂとＶ族系ガスバッファエリア２４ｂとが異なる２層として積層されていたが、必ずしもこれに限らない。
具体的には、図８（ａ）に示すように、冷媒バッファエリア２２ｂの上の層は、１層でもよく、また、その層には２種類のガスを別々にガス導入口４１・４２から導入してその層で予備混合してもよい。或いは、図８（ｂ）に示すように、予め混合したガスを一箇所のガス導入口４３から導入してもよい。
また、本発明においては、原料ガスの種類として、III 族系ガス及びＶ族系ガスに限ることはない。
さらに、本実施の形態では、図９（ａ）に示すように、冷媒供給配管３８及び冷媒排出配管３９は、それぞれ２系統等の複数系統とすることが可能である。この場合、例えば、冷媒外環排出室２７ｂにおける２つの冷媒排出配管３９への排出口への間には、断面三角形の突起４４を設けることが可能である。これにより、冷媒外環排出室２７ｂにおける２つの冷媒排出配管３９・３９への冷媒排出口３９ａ・３９ａの間において、冷媒が乱流を起こさないように、２つの冷媒排出配管３９・３９の冷媒排出口３９ａ・３９ａへそれぞれ層流にて分流させることが可能となる。
なお、この断面三角形の突起４４は、図９（ｂ）に示すように、冷媒供給配管３８及び冷媒排出配管３９が、１系統の場合でも適用することができる。図９（ｂ）の例では、冷媒外環導入室２７ａにおいて、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒供給配管３８の導入口の対向位置に突起４４を設けている。これによって、冷媒供給配管３８から冷媒外環導入室２７ａに流入した冷媒が、冷媒外環導入室２７ａに分流することが容易となる。
また、図９（ｂ）において、円Ｃ１〜Ｃ３で示す各部分については、それぞれ図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、テーパを形成するのが好ましい。これにより、各部における冷媒の流れを滑らかにすることができる。なお、テーパは、冷媒外環導入室２７ａに限らず、冷媒外環排出室２７ｂ側に形成することが可能である。
さらに、図１１に示すように、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂについて、冷媒供給配管３８の導入口及び冷媒排出配管３９の排出口からそれぞれ冷媒外環室隔壁２７ｃに近くなるほど、この冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの各流路幅を狭くするのが好ましい。これにより、例えば、冷媒外環導入室２７ａについて、同じ幅であれば、冷媒外環室隔壁２７ｃに近づくほど冷媒供給配管３８から導入された冷媒の流速が早くなり、冷媒外環室隔壁２７ｃに近づくほど大量の冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂに流入される。
これに対して、冷媒外環導入室２７ａについて、冷媒供給配管３８の導入口からそれぞれ冷媒外環室隔壁２７ｃに近くなるほど、冷媒外環導入室２７ａの流路幅を狭くすることによって、冷媒が流れ難くなる。その結果、冷媒外環導入室２７ａの全体について、冷媒バッファエリア２２ｂへの流入量を均一にすることができる。
このように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０及び気相成長方法は、III 族系ガス及びＶ族系ガスの各原料ガスを吐出する複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５を配設したシャワープレート２１を介して被成膜基板３を収容する成長室１内に該III 族系ガス及びＶ族系ガスを供給して被成膜基板３に成膜する。上記シャワープレート２１上には、III 族系ガス及びＶ族系ガスをそれぞれ充満させるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂと、III 族系ガス及びＶ族系ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒バッファエリア２２ｂとが、該冷媒バッファエリア２２ｂをシャワープレート２１側にして順に積層され、冷媒バッファエリア２２ｂには、該冷媒バッファエリア２２ｂからシャワープレート２１の複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通する複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられ、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲には、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔを有する冷媒用開口付きリング２２ｄを介して環状の冷媒外環室２７が設けられ、この冷媒外環室２７は、冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、該冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられた冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、上記冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２７ｃとを備えている。
したがって、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲に設けられた環状の冷媒外環室２７に導入された冷媒は、本来であれば、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎを通して冷媒バッファエリア２２ｂに流入する。しかし、冷媒バッファエリア２２ｂには複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられているので、冷媒バッファエリア２２ｂの内部は冷媒の流入抵抗が大きい。その結果、冷媒外環室隔壁２７ｃがない場合には、冷媒外環室２７に導入された冷媒は、そのまま抵抗の小さい冷媒外環室２７を通って、冷媒排出口３９ａから外部に排出され、抵抗の大きい冷媒バッファエリア２２ｂには冷媒が均一に流通しないことになる。
そこで、本実施の形態では、これを回避するために、冷媒外環室２７は、冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、該冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられた冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、これら冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２７ｃとを備えている。
この結果、冷媒は、冷媒導入口３８ａから冷媒外環導入室２７ａに導入された後、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎを通して冷媒バッファエリア２２ｂに流入し、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒排出開口Ｈｏｕｔを通して冷媒外環排出室２７ｂへ流出し、該冷媒外環排出室２７ｂの冷媒排出口３９ａから排出される。
すなわち、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２７ｃを設けることによって、冷媒外環室２７を冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに区画し、冷媒が冷媒外環室２７内のみを通過して冷媒バッファエリア２２ｂに流入しないのを防止している。
したがって、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることにより、III 族系ガス及びＶ族系ガスのシャワープレート２１での反応によるシャワープレート２１におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを回避し得るＭＯＣＶＤ装置１０及び気相成長方法を提供することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄには、冷媒流入開口Ｈｉｎは１個以上設けられていると共に、冷媒流入開口Ｈｉｎが複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒流入開口Ｈｉｎは、周方向に、上記冷媒導入口３８ａと冷媒排出口３９ａとを結ぶ直線に対して線対称に配置されている。
これにより、冷媒外環導入室２７ａに導入された冷媒は、冷媒用開口付きリング２２ｄに１個以上設けられた冷媒流入開口Ｈｉｎから冷媒バッファエリア２２ｂに流入されるので、冷媒は必ず冷媒バッファエリア２２ｂを通ることになる。
また、本実施の形態では、冷媒流入開口Ｈｉｎが複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒流入開口Ｈｉｎは、周方向に、冷媒導入口３８ａと冷媒排出口３９ａとを結ぶ直線に対して線対称に配置されている。このため、冷媒外環導入室２７ａに導入された冷媒は、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける線対称に配置された冷媒流入開口Ｈｉｎから冷媒バッファエリア２２ｂに左右対称に流入される。
したがって、冷媒は冷媒バッファエリア２２ｂにおいて均等に流通するので、シャワープレート２１の全域が偏ることなく冷却される。
ところで、冷媒は抵抗の少ない方へ流れるので、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎを同じ開口径に形成した場合には、冷媒は冷媒バッファエリア２２ｂに流入するよりも冷媒外環導入室２７ａの奥である冷媒外環室隔壁２７ｃ側に流れる。
しかし、本実施の形態では、冷媒外環導入室２７ａの冷媒導入口３８ａに近い冷媒流入開口Ｈｉｎほど、該冷媒流入開口Ｈｉｎの開口径が大きいので、冷媒外環導入室２７ａの冷媒導入口３８ａに近い冷媒流入開口Ｈｉｎへの流入抵抗が少なくなる。
したがって、冷媒用開口付きリング２２ｄの各冷媒流入開口Ｈｉｎから均一の流量で冷媒を冷媒バッファエリア２２ｂに流入させることができるので、冷媒がシャワープレート２１の全域に流れるようにすることができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環排出室２７ｂの冷媒排出開口Ｈｏｕｔの全面積は、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄにおける冷媒流入開口Ｈｉｎの全面積と同一か又はそれ以上である。
このため、冷媒バッファエリア２２ｂにおいて、冷媒が出口側である冷媒外環排出室２７ｂの冷媒用開口付きリング２２ｄの手前で流出されずに滞留するということがない。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒導入口３８ａが複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒導入口３８ａは冷媒外環導入室２７ａの中央位置を軸として線対称となるように配置されている。このため、冷媒は左右対称に複数かつ偶数個存在する冷媒導入口３８ａから冷媒外環導入室２７ａに均一に分流される。
したがって、冷媒外環導入室２７ａにおける冷媒用開口付きリング２２ｄの各冷媒流入開口Ｈｉｎから均一の流量で冷媒を冷媒バッファエリア２２ｂに流入させることができるので、冷媒がシャワープレート２１の全域に流れるようにすることができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環排出室２７ｂには、冷媒排出口３９ａは冷媒導入口３８ａと同数個設けられていると共に、冷媒排出口３９ａが複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒排出口３９ａは冷媒外環排出室２７ｂの中央位置を軸として線対称となるように配置されていることが好ましい。
これにより、冷媒は冷媒外環排出室２７ｂにおいて、左右対称の複数かつ偶数個存在する冷媒排出口から均一に分流して排出される。この結果、冷媒バッファエリア２２ｂについても冷媒の左右対称の均一な流れを提供することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａにおける冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎは、冷媒外環導入室２７ａの冷媒導入口３８ａとは同一半径方向にならないように形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室２７ａの冷媒導入口３８ａから導入された冷媒が、直線的に冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎを通過し、冷媒外環導入室２７ａの全体に充分に行き渡らなくなるのを抑制することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環排出室２７ｂにおける冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒排出開口Ｈｏｕｔは、冷媒外環排出室２７ｂの冷媒排出口３９ａとは同一半径方向にならないように形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒バッファエリア２２ｂの冷媒が、冷媒外環排出室２７ｂにおける冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒排出開口Ｈｏｕｔを通して冷媒外環排出室２７ｂの冷媒排出口３９ａに直線的に排出されるのを抑制することができる。したがって、冷媒バッファエリア２２ｂ内の冷媒の偏流を抑制することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄにおける、冷媒導入口３８ａの対向位置には、三角形状の突起４４が設けられていることが好ましい。
これにより、冷媒外環導入室２７ａの冷媒導入口３８ａから導入された冷媒は、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける、冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられた三角形状の突起４４によって、分流される。
したがって、冷媒外環導入室２７ａに導入された冷媒を冷媒外環導入室２７ａ内において左右対称に均等に分流することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環排出室２７ｂに冷媒排出口３９ａが周方向に２個存在する場合には、冷媒外環排出室２７ｂにおける２個の冷媒排出口３９ａの間に、三角形状の突起４４が設けられていることが好ましい。
これにより、冷媒外環排出室２７ｂにおける２個の冷媒排出口３９ａ・３９ａの間に設けられた三角形状の突起４４によって、２個の冷媒排出口３９ａ・３９ａに対して均一に分流して冷媒を排出することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環室２７の冷媒用開口付きリング２２ｄに形成された冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔ、冷媒外環室隔壁２７ｃ、又は冷媒導入口３８ａの少なくとも１つには、冷媒の流れを滑らかにするテーパが形成されていることが好ましい。
これにより、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔ、冷媒外環室隔壁２７ｃ、又は冷媒導入口３８ａにおいて、テーパにより冷媒の流れが滑らかになり、層流により、冷媒バッファエリア２２ｂ内に均一に冷媒を流入させることができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａは、冷媒導入口３８ａから冷媒外環室隔壁２７ｃに向かうに伴って狭小幅となるように形成されていることが好ましい。
すなわち、冷媒外環導入室２７ａが同じ幅で形成されている場合には、抵抗が少ないことから冷媒はより奥へ進入しようとする。しかし、本実施の形態では、冷媒外環導入室２７ａは、冷媒導入口３８ａから冷媒外環室隔壁２７ｃに向かうに伴って狭小幅となるように形成されているので、奥に向かうに伴って冷媒の流れの抵抗となる。
この結果、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄの各冷媒流入開口Ｈｉｎから、均一に冷媒を流入させることが可能となる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、シャワープレート２１上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを導入するガス導入口４１・４２がそれぞれ設けられていることが可能である。
これにより、異なる複数種類のガスをシャワープレート２１上のガス中間室で混合することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、シャワープレート２１上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを混合して導入する１個のガス導入口４３が設けられているとすることが可能である。
これにより、ガス中間室の手前で複数種類のガスを混合した後、１個のガス導入口４３からシャワープレート２１上のガス中間室に導入することができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、シャワープレート２１上に積層されたガス中間室は、異なる複数種類のIII 族系ガス及びＶ族系ガスをそれぞれ充満させるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂからなっていると共に、冷媒バッファエリア２２ｂ、及び最上層よりも下層に設けられたIII 族系ガスバッファエリア２３ｂには、上層に設けられたＶ族系ガスバッファエリア２４ｂからシャワープレート２１の複数の各III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通する複数のＶ族系ガス供給管２４ｃ及びIII 族系ガス供給管２３ｃが貫通して設けられていることが好ましい。
これにより、複数種類のIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂを積層した場合においても、各複数種類のIII 族系ガス及びＶ族系ガスを、混合することなく、各Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂ及びIII 族系ガスバッファエリア２３ｂから各Ｖ族系ガス供給管２４ｃ及びIII 族系ガス供給管２３ｃを通してシャワープレート２１の各III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１内の被成膜基板３に向けて供給することができる。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図１２ないし図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の他の実施の形態について図１２ないし図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
前記実施の形態１では、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔは、それぞれ円形、矩形又は楕円形等の形状であるとして説明したが、本実施の形態では、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの開口形状が長穴になっている点が異なっている。
本実施の形態では、ＭＯＣＶＤ装置１０における冷媒外環室２７の冷媒用開口付きリング２２ｄに形成された冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの開口形状について、図１２に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態における冷媒外環室２７の冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの開口形状は、特に、今後益々需要が大きくなるＭＯＣＶＤ装置１０の大型化を見据えた形状となっている。
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置１０が大型化すると、当然のことながらシャワープレート２１も大きくなっていく。この理由は、搭載される被成膜基板３の枚数増、及び搭載される被成膜基板３のインチアップによるものである。これに伴い、シャワープレート２１を冷却する面積も大きくなるが、前記実施の形態１の冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔの開口形状では、流せる冷媒の量が制限されるものとなってしまう。前記実施の形態１にて説明したように、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔは、それぞれ円形、矩形又は楕円形等の形状であるとしていても現状においては問題ないが、ＭＯＣＶＤ装置１０の上述した大型化に伴って、冷媒の流量不足により冷却能力の不足が生じることは否めない。
ここで、実施の形態１において、冷媒用開口付きリング２２ｄに設けられている冷媒流入開口Ｈｉｎの孔直径を大きくして冷媒の流量を確保しようとすると、冷媒外環室２７の高さが高くなってしまう。この結果、冷媒外環室２７の高さが高くなるほど圧力損失がなくなり、冷媒の流速が落ちてしまい、均等な冷却能力を得ることができなくなってしまう。
そこで、本実施の形態では、大型化に適応した冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔとして、図１２に示すように、開口形状が、長孔５１となっている。これにより、圧力損失をなくすことなく、流速を確保でき、かつ、大容量の冷媒を流すことが可能となる。
ここで、本実施の形態では、冷媒用開口付きリング２２ｄにおいては、長孔５１の長さＬの領域において、この長孔６１の上側及び下側の全部には、上側壁５２ａ及び下側壁５２ｂが形成されている。したがって、この構成により、長孔５１を形成した部分の冷媒用開口付きリング２２ｄの強度が弱くなるということがない。なお、図１２に示す冷媒用開口付きリング２２ｄにおける長孔６１の上側壁５２ａ及び下側壁５２ｂは、長孔６１の上側及び下側の全部が壁となっているが、必ずしもこれに限らず、周方向に繋がった壁面が一部に存在していればよい。これにより、冷媒用開口付きリング２２ｄに対して強度補強の効果を奏するものとなる。
また、本実施の形態では、冷媒外環導入室２７ａにおける冷媒流入開口Ｈｉｎの長孔５１は、冷媒導入口３８ａ近傍に近いほど長さが長くなっていると共に、冷媒外環室隔壁２７ｃに近い部分ほど長さが短くなっている。この理由は、前記実施の形態１において、冷媒外環室隔壁２７ｃに近い部分ほど冷媒流入開口Ｈｉｎの直径を大きくした考え方と同様に、冷媒導入口３８ａ近傍での流速抵抗を小さくして、冷媒バッファエリア２２ｂの内部に流入する冷媒量を増やすと共に、冷媒外環導入室２７ａ内をそのまま通過する冷媒が多くなるのを防止するためである。
ただし、冷媒外環排出室２７ｂに通じる冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒排出開口Ｈｏｕｔの長孔５１の長さについては、変更しないものとした。これは、冷媒排出開口Ｈｏｕｔのコンダクタンスを一定にしないと、冷媒が流れ易い方へ偏ってしまい、結果としてシャワープレート２１を均等に冷却できない問題が発生するためである。
これにより、冷媒外環導入室２７ａにおける冷媒用開口付きリング２２ｄの各冷媒流入開口Ｈｉｎから均一の流量でかつ流速を保った冷媒を冷媒バッファエリア２２ｂに流入させることができるので、冷媒がシャワープレート２１の全域に流れるようにすることができる。
ところで、上述の説明では、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒排出開口Ｈｏｕｔは、長孔５１のみが設けられていたが、必ずしもこれに限らない。
例えば、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒用開口付きリング２２ｄを側面から見た場合に、下部に長孔６１を設けると共に、上部に円形状孔としての丸型二対孔６２を設けることもできる。上記丸型二対孔６２は、長孔６１の両端側においてそれぞれ２個を一組とした丸型の孔となっている。
この配置を用いることにより、図１２に示す長孔５１のみを配置する方法よりも、冷媒バッファエリア２２ｂの内部に冷媒流入開口Ｈｉｎから導入された冷媒に乱流を起こさせるので、冷媒バッファエリア２２ｂの内部をより効果的に全領域を冷却することが可能となる。
この理由は、冷媒が、長孔６１及び丸型二対孔６２から同時に冷媒バッファエリア２２ｂの内部に導入され、それぞれ異なる流速（長孔６１：流速遅、丸型二対孔６２：流速強）をもった冷媒がバッファエリア２２ｂの内部にて混合することにより、直進性を持たない冷媒の流れを作り出すことができる。これにより、冷媒がシャワープレート２１の全域に流れるようにすることが可能となる。
なお、このような乱流を発生させるためには、図１３（ａ）（ｂ）に示す形状に限定されるものではない。
換言すれば、上部の開口と下部の開口とが互いに開口率の異なるものであればよいとすることができる。例えば、下部開口である長孔６１を円形の開口（つまり丸型孔）に変更し、上部開口である丸型二対孔６２よりも開口率を上げるために複数設ける構成等でもよい。
また、本実施の形態では、冷媒用開口付きリング２２ｄを側面から見て、上下方向にそれぞれ開口率の異なる開口を対にして設けている。
すなわち、本実施の形態では、冷媒バッファエリア２２ｂには複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられているので、冷媒バッファエリア２２ｂの内部においては、冷媒の流れ方向に対して、縦方向に障害物が存在する。また、図１４に示すように、前記冷媒導入口３８ａと冷媒排出口３９ａとを結ぶ線状には覗き窓６３が設けられている。この覗き窓６３は、シャワーヘッド２０の上側から成長室１内の被成膜基板３を覗き見ることができるものであるが、この覗き窓６３も冷媒の流れ方向に対して、縦方向の障害物となる。
この状態で、例えば、冷媒用開口付きリング２２ｄに、水平方向に開口率の異なる開口を一対設けた場合においては、冷媒バッファエリア２２ｂの内部に存在する障害物に対して、水平方向に流速の違う冷媒の乱流を発生させることとなり、冷媒自体が均一に広がらなくなり、乱流を起こす意味がなくなり、均一にシャワープレート２１の内部を冷却することができない。
これに対して、本実施の形態のように、流速の異なる冷媒を障害物に対して流路上下方向に設けることにより、各流路を流れる冷媒が流速の違いから例えば上から下へと巻き込むような流れ方向（渦乱流）を生み出すことが可能となる。
これにより、冷媒バッファエリア２２ｂの内部で冷媒が渦乱流となり、均等にシャワープレート２１上の流路内部へ流れることができ、均一にシャワープレート２１を冷却することが可能となる。
これらを検証するために、図１３（ａ）（ｂ）に示す、下部に長孔６１及び上部に丸型二対孔６２を有する冷媒用開口付きリング２２ｄを用いてシミュレーションを実施した。そのシミュレーション結果を、図１４に示す。なお、本シミュレーションでは、計算上及びメッシュの作成の関係から、モデルは外径の大きさを１０００ｍｍとし、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄの大きさをΦ８００ｍｍまで拡大したモデルとした。また、III 族ガスの流れるパイプにおいては上記条件では１万本以上となり、計算が非常に困難なものとなってしまうので、今回は簡易化し、大型パイプΦ１０ｍｍでの計算とした。内部構造においては、パイプ外径は円形状であるため冷媒の流れには問題ない。
結果としては、図１４に示すように、長孔６１及び丸型二対孔６２を配置した場合、冷媒流入開口Ｈｉｎから導入された冷媒が乱流を起こして、冷媒バッファエリア２２ｂ内部をより効果的に全領域を冷却している様子がわかる。これにより、形状の異なる２種の冷媒流入開口Ｈｉｎを設けることにより、非常に効果があることが判明した。
なお、今回は、冷媒排出側も同等の形状としたが、つまり冷媒外環排出室２７ｂにおける冷媒排出開口Ｈｏｕｔの形状も、下部に長孔６１及び上部に丸型二対孔６２を設けたが、本発明においては、冷媒排出側形状は冷媒導入側形状と同形状に限定されるものではない。
このように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄにおける、該冷媒流入開口Ｈｉｎが存在する領域のシャワープレート２１側及びIII族系ガスバッファエリア２３ｂ側には、周方向に繋がった壁面が存在していることが好ましい。
これにより、冷媒用開口付きリング２２ｄを上部つまりIII族系ガスバッファエリア２３ｂ側又は下部つまりシャワープレート２１側から固定する場合に、冷媒用開口付きリング２２ｄが周方向において完全に一つの一体構造部材となっているので、冷媒用開口付きリング２２ｄの強度が補強され、補強冷媒の流入圧力及び上部又は下部からの締結部品の圧力による変形がなくなり、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒外環導入室２７ａの冷媒用開口付きリング２２ｄに設けられた冷媒流入開口Ｈｉｎは、少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口を有していることが好ましい。
これにより、シャワープレート２１の直径が大きくなった場合に、冷媒用開口付きリング２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎからから吐出する冷媒の流量を飛躍的向上させることができ、冷媒の流量不足によるシャワープレート２１の冷却不足を発生させることなく冷媒をシャワープレート２１全域に流れるようにすることができる。
また、開口率の異なる２種類以上の冷媒流入開口Ｈｉｎにて異なる流速の冷媒を同時に導入することができるので、III 族系ガスバッファエリア２３ｂの内部で乱流を起こすことができ、シャワープレート２１の内部全域に冷媒が流れることが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒流入開口Ｈｉｎにおける少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、冷媒用開口付きリング２２ｄにおける周方向に直交する方向に対を成して設けられていることが好ましい。すなわち、開口率の異なる２種類以上の開口は、冷媒の流れに対してそれぞれが上下方向に存在することが好ましい。
これにより、開口率の異なる２種類以上の冷媒流入開口Ｈｉｎは冷媒用開口付きリング２２ｄにおける周方向に直交する方向に対を成して設けられているので、冷媒の流れは縦方向の渦流となる。ここで、本実施の形態では、冷媒バッファエリア２２ｂには、III族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂからシャワープレート２１の複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通する複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられているので、冷媒の流れを縦方向の渦流とすることによって、これら複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの障害物の間で巻き込み型の乱流を起こすことができる。この結果、シャワープレート２１の内部全域に冷媒を効率よく流すことが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒流入開口Ｈｉｎにおける少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、丸型二対孔６２と周方向に長く形成された長孔６１とを含んでいることが好ましい。
これにより、開口率の異なる２種類以上の開口を丸型二対孔６２と周方向に長く形成された長孔５１とすることによって、確実に、縦方向の乱流を起こすことができ、シャワープレート２１の内部全域に冷媒を効率よく流すことが可能となり、効率的な冷却を行うことができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔から基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置及び気相成長方法に利用することができる。
１ 成長室
１ａ ガス排出口
２ 反応炉
３ 被成膜基板
４ サセプタ
５ ヒータ
７ 回転軸
１０ ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１ ガス排出部
１２ パージライン
２０ シャワーヘッド
２１ シャワープレート
２２ 冷媒供給部
２２ｂ 冷媒バッファエリア（冷媒中間室）
２２ｄ 冷媒用開口付きリング（冷媒用開口付き環状壁）
２３ III 族系ガス供給部
２３ａ III 族系ガス冷媒外環流路
２３ｂ III 族系ガスバッファエリア（ガス中間室、ガス個別中間室）
２３ｃ III 族系ガス供給管（ガス供給管、個別ガス供給管）
２４ Ｖ族系ガス供給部
２４ａ Ｖ族系ガス冷媒外環流路
２４ｂ Ｖ族系ガスバッファエリア（ガス中間室、ガス個別中間室）
２４ｃ Ｖ族系ガス供給管（ガス供給管、個別ガス供給管）
２４ｄ Ｖ族系ガス開口付きリング
２７ 冷媒外環室
２７ａ 冷媒外環導入室
２７ｂ 冷媒外環排出室
２７ｃ 冷媒外環室隔壁（隔壁）
３８ 冷媒供給配管
３８ａ 冷媒導入口
３９ 冷媒排出配管
３９ａ 冷媒排出口
４１ ガス導入口
４２ ガス導入口
４３ ガス導入口
４４ 突起
５１ 長孔
５２ａ 上側壁（周方向に繋がった壁面）
５２ｂ 下側壁（周方向に繋がった壁面）
６１ 長孔
６２ 丸型二対孔（円形状孔）
６３ 覗き窓
Ｈ 開口
Ｈ３ III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ５ Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈｉｎ 冷媒流入開口（冷媒用開口）
Ｈｏｕｔ 冷媒排出開口（冷媒用開口）
１ａ ガス排出口
２ 反応炉
３ 被成膜基板
４ サセプタ
５ ヒータ
７ 回転軸
１０ ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１ ガス排出部
１２ パージライン
２０ シャワーヘッド
２１ シャワープレート
２２ 冷媒供給部
２２ｂ 冷媒バッファエリア（冷媒中間室）
２２ｄ 冷媒用開口付きリング（冷媒用開口付き環状壁）
２３ III 族系ガス供給部
２３ａ III 族系ガス冷媒外環流路
２３ｂ III 族系ガスバッファエリア（ガス中間室、ガス個別中間室）
２３ｃ III 族系ガス供給管（ガス供給管、個別ガス供給管）
２４ Ｖ族系ガス供給部
２４ａ Ｖ族系ガス冷媒外環流路
２４ｂ Ｖ族系ガスバッファエリア（ガス中間室、ガス個別中間室）
２４ｃ Ｖ族系ガス供給管（ガス供給管、個別ガス供給管）
２４ｄ Ｖ族系ガス開口付きリング
２７ 冷媒外環室
２７ａ 冷媒外環導入室
２７ｂ 冷媒外環排出室
２７ｃ 冷媒外環室隔壁（隔壁）
３８ 冷媒供給配管
３８ａ 冷媒導入口
３９ 冷媒排出配管
３９ａ 冷媒排出口
４１ ガス導入口
４２ ガス導入口
４３ ガス導入口
４４ 突起
５１ 長孔
５２ａ 上側壁（周方向に繋がった壁面）
５２ｂ 下側壁（周方向に繋がった壁面）
６１ 長孔
６２ 丸型二対孔（円形状孔）
６３ 覗き窓
Ｈ 開口
Ｈ３ III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ５ Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈｉｎ 冷媒流入開口（冷媒用開口）
Ｈｏｕｔ 冷媒排出開口（冷媒用開口）
Claims (20)
- ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを介して被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、
シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、
上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、
上記冷媒中間室の周囲には、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、
上記冷媒外環室は、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていることを特徴とする気相成長装置。 - 前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁には、前記冷媒用開口は１個以上設けられていると共に、
上記冷媒用開口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒用開口は、周方向に、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口と前記冷媒外環排出室の冷媒排出口とを結ぶ直線に対して線対称に配置さ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。 - 前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁に冷媒用開口が複数個存在する場合には、
上記冷媒外環導入室の冷媒導入口に近い冷媒用開口ほど、該冷媒用開口の開口径が大きいことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。 - 前記冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁には、冷媒用開口は１個以上設けられていると共に、
上記冷媒外環排出室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積は、前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における冷媒用開口の全面積と同一か又はそれ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気相成長装置。 - 前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における、該冷媒用開口が存在する領域のシャワープレート側及びガス中間室側には、周方向に繋がった壁面が存在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁に設けられた冷媒用開口は、少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口を有していることを特徴とする請求項５記載の気相成長装置。
- 前記冷媒用開口における少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、冷媒用開口付き環状壁における周方向に直交する方向に対を成して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。
- 前記冷媒用開口における少なくとも開口率の異なる２種類以上の開口は、円形状孔と周方向に長く形成された長孔とを含んでいることを特徴とする請求項６又は７記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環導入室には、前記冷媒導入口は周方向に１個以上設けられていると共に、
上記冷媒導入口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒導入口は冷媒外環導入室の中央位置を軸として線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の気相成長装置。 - 前記冷媒外環排出室には、前記冷媒排出口は前記冷媒導入口と同数個設けられていると共に、
上記冷媒排出口が複数かつ偶数個存在する場合には、該冷媒排出口は冷媒外環排出室の中央位置を軸として線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項９記載の気相成長装置。 - 前記冷媒外環導入室における冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口は、上記冷媒外環導入室の冷媒導入口とは同一半径方向にならないように形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環排出室における冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口は、上記冷媒外環排出室の冷媒排出口とは同一半径方向にならないように形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環導入室の冷媒用開口付き環状壁における、前記冷媒導入口の対向位置には、三角形状の突起が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環排出室に冷媒排出口が周方向に２個存在する場合には、上記冷媒外環排出室における２個の冷媒排出口の間に、三角形状の突起が設けられていることを特徴とする請求項１０記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環室の冷媒用開口付き環状壁に形成された冷媒用開口、冷媒外環室の隔壁、又は冷媒外環導入室の冷媒導入口の少なくとも１つには、冷媒の流れを滑らかにするテーパが形成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記冷媒外環導入室は、冷媒導入口から隔壁に向かうに伴って狭小幅となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記シャワープレート上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを導入するガス導入口がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記シャワープレート上に積層されたガス中間室には、異なる複数種類のガスを混合して導入する１個のガス導入口が設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 前記シャワープレート上に積層されたガス中間室は、異なる複数種類のガスをそれぞれ充満させるガス個別中間室からなっていると共に、
上記冷媒中間室、及び最上層よりも下層に設けられたガス個別中間室には、上層に設けられたガス個別中間室から上記シャワープレートの複数の各ガス吐出孔に連通する複数のガス個別供給管が貫通して設けられていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の気相成長装置。 - ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを介して被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長方法において、
シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とを、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層し、
上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管を貫通して設け、
上記冷媒中間室の周囲に、冷媒用開口を有する冷媒用開口付き環状壁を介して環状の冷媒外環室を設け、
上記冷媒外環室には、冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられた冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備え、
上記冷媒を、上記冷媒導入口から冷媒外環導入室に導入した後、上記冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して冷媒中間室に流入し、該冷媒用開口付き環状壁の冷媒用開口を通して上記冷媒外環排出室へ流入し、該冷媒外環排出室の冷媒排出口から排出することを特徴とする気相成長方法。
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