気相成長装置、及びガス吐出装置
【課題】本発明は、ガスの流速、濃度を、被処理基板面内或いは基板間の膜厚の変動に対して、領域ごとに制御を行うことが可能な気相成長装置を提供する。
【解決手段】側壁面のガス導入口２０・２１から原料ガスが導入されるガス室２０１・２１１と、成長室１１とを備え、ガス室２０１・２１１の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口２６１’・２６２’が形成された１つ以上の仕切り板２６１・２６２と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の開口２６１’・２６２’を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室２０１・２１１の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを積層方向に垂直な方向に分割する隔壁２７とが設けられ、隔壁２７により分割された最下流層の領域ごとに、ガス整流室２１２・２７２及び当該ガス整流室を経たガスを成長室１１に吐出するガス吐出口が設けられている。
【解決手段】側壁面のガス導入口２０・２１から原料ガスが導入されるガス室２０１・２１１と、成長室１１とを備え、ガス室２０１・２１１の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口２６１’・２６２’が形成された１つ以上の仕切り板２６１・２６２と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の開口２６１’・２６２’を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室２０１・２１１の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを積層方向に垂直な方向に分割する隔壁２７とが設けられ、隔壁２７により分割された最下流層の領域ごとに、ガス整流室２１２・２７２及び当該ガス整流室を経たガスを成長室１１に吐出するガス吐出口が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板（被処理基板）上に、例えば半導体薄膜を堆積させる気相成長装置等に関するものであり、特に、複数のガスを必要とする有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）での原料ガスを供給する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置は、有機金属やその他のガスを用いて結晶成長を行う装置であって、工業的に素子を量産する場合には一般にＭＯＣＶＤ装置が使用されている。例えば、発光ダイオード及び半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの第３族有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの第５族水素化合物ガスと、を成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して、基板上に化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ装置が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、上記の原料ガスを窒素などの不活性ガス、または水素ガスとともにＭＯＣＶＤ装置の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では、成長させる化合物半導体結晶の品質を向上させるとともに、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが要求されている。
【０００４】
まず、化合物半導体結晶の品質向上について説明すると、原料ガスの均一化が有効な手段として従来より用いられてきた。
【０００５】
例えば、特許文献１では、反応ガスを均等な流速分布で基板上に供給し、基板上で気相反応させる方法が示されている。基板設置位置に対して上方の中央部にガス導入口を設け、ガス導入口からシャワープレートへつながる拡開する外壁を設けることにより、シャワープレートのガス吐出孔での反応ガスの速度差を緩和でき、基板上での反応ガスの流速分布、反応ガス濃度の均一化を実現している。
【０００６】
また、特許文献２では、同種のガスに対し複数のガス導入部を有し、個々のガス導入部に設けられた流量調節部にて流量を制御することで、基板表面への反応ガスの流速の均一供給を可能にしている。
【０００７】
さらに、特許文献３では、成長室の上部の周辺部に配置した環状のガス流路に均等に配置したガス導入孔より成長室に反応ガスを吐出させ、また、成長室周囲に環状のガス排出部を設置し、ガス排出部に均等配置した排気孔を介して排ガスを排出することで、基板表面への反応ガスの流速の均一供給を可能にしている。
【０００８】
次に、歩留まりの向上について説明する。ＭＯＣＶＤ装置では、成膜が行われる成長室内は減圧して使用する場合が多いことから、シャワーヘッド内の圧力は成長室内に比べると格段に高く、シャワーヘッド内で気相反応が生じることで、反応生成物がシャワーヘッドのガス吐出孔を塞ぎ、成長室内に反応ガスを供給することができなくなることがある。
【０００９】
これに対して、例えば特許文献４では、図１２に示すように、２種類の供給ガス（第１ガス及び第２ガス）に対応してそれぞれに第１ガス室８１、第２ガス室８２を設け、これらのガス室（８１、８２）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８３を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−７２１９６号公報（公開日：２００５年３月１７日）
【特許文献２】特開２０００−２９４５３８号公報（公開日：２０００年１０月２０日）
【特許文献３】特開平３−２０３２２７号公報（公開日：１９９１年９月４日）
【特許文献４】特開２０００−１４４４３２号公報（公開日：２０００年５月２６日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したように化合物半導体結晶の製造では、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが近年要求されているため、ウェハの大型化への対応、及び複数枚のウェハを同時に処理するためにＭＯＣＶＤ装置の大型化が必要となってきている。このような装置の大型化に伴い、反応ガス、または不活性ガスを大面積で流速分布を均一に供給することが特に大きな課題となっている。
【００１２】
例えば、特許文献１に記載の発明は、ガス導入口の設置位置、及び拡開する外壁を設けることで、基板上に反応ガスを均一に処理するものであるが、処理すべき基板が大型化する伴い、特に基板中央部と端部とで、反応ガスの流速分布、及び反応ガス濃度の制御が困難になる。
【００１３】
また、特許文献２に記載の発明は、複数の領域に区切られたガス室の各々に同種のガスを供給するに際し、これら領域ごとにガス供給手段を設けることにより均一化を図るものであるが、ガス導入部の近傍と端部との不均一は避けられない。特に、近年の装置の大型化に伴い、領域内でのガス導入部近傍と端部との差が問題となってくることは明らかであるが、この問題に対処するために領域をより多数に分割すると、ガス供給手段がより多数必要となり装置が複雑化・大型化する。
【００１４】
さらに、特許文献３に記載の発明も、成長室内における中央部(環状のガス流路の中心付近に対応する成長室内の領域)でガス流速が遅く、端部で速くなり、反応ガスが均一に供給されていない。これは、反応ガスがノズル部材（環状のガス流路の内壁）に衝突し落下するように成長室内に供給されるため、上記中央部に反応ガスが届き難いためと考えられる。
【００１５】
また、他の課題として、例えば、第３〜第５族半導体など複数種のガスを必要とするＣＶＤ法においては、上記何れの従来技術においても均一なガスの供給を歩留まりよく行うことが困難であるという点も挙げられる。
【００１６】
特に、特許文献１に記載の発明は、そもそも構造上、第３〜第５族半導体など２種以上のガス供給が必要な半導体を形成することは困難である。２種以上のガスを同じ領域に供給するためには、ガス供給手段を上下に分けてガスを供給する必要があるが、ガス導入口を基板に対して中央に位置させるという制約から、そのような構成が取れないからである。
【００１７】
また、特許文献４は、例えば、第１ガスと第２ガスとを上下２系統に分けて供給する装置に関するが、反応ガスを均一に供給する手段が記載されていない。
【００１８】
しかし、上層のガス室から供給される第１ガスの均一化を図ることができたとしても、下層にある第２ガスは、第１ガスを供給するノズルが第２ガス室８２内にあるため、その流れが妨げられるので、第１ガス及び第２ガスの双方を均一に供給することは困難である。
【００１９】
上記の問題に鑑みて、本発明の目的は、基板に対する原料ガスのより均一な供給を可能とし、成長膜厚や組成比を向上させ、高品位の膜質の成長を行うことができる気相成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る気相成長装置は、側壁面の原料ガス導入口から原料ガスが導入される原料ガス室と、成長室とを備え、上記原料ガス室から上記成長室に原料ガスを供給して、上記成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置であって、上記原料ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つ原料ガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端が原料ガス室の最下流層の端部まで延伸されて、原料ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、原料ガス整流室及び当該原料ガス整流室を経た原料ガスを上記成長室に吐出する原料ガス吐出口が設けられていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、原料ガスは、ガス室の側壁面のガス導入口から入ってから、整流室の底部にある原料ガス吐出口に流れ、原料ガスの流れ方向において、仕切り板により原料ガス室が積層方向に複数の空間に区画される。上記構成において、原料ガス室の最下流層は、原料ガス吐出口に一番近づいている空間であり、原料ガス室の最下流層の端部とは、原料ガス室の積層方向における最下層の区画の底部である。
【００２２】
上記構成によれば、上記原料ガス室の内部を複数の領域に分割でき、ガス流れ方向の最下流層における、隔壁により分割された領域ごとで、各ガス吐出口の直前に設けられた原料ガス整流室を通してガスを吐出するので、各ガス吐出口からの原料ガス量を均等し、ガス流速を均一化することができる。これにより、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【００２３】
なお、仕切り板に形成される上記開口は、複数の小孔であってもよい。複数の小孔を設ける場合、小孔一つあたりの開口面積は特に限定されるものではないが０．１９ｍｍ２〜３８．４ｍｍ２の範囲内であることが好ましく、７．１ｍｍ２〜３８．４ｍｍ２の範囲内であることがより好ましい。
【００２４】
また、上記隔壁は筒状に形成されることが好ましく、円筒状に形成されることがより好ましい。
【００２５】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁は、着脱可能に設置されていることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、原料ガス室を分割する隔壁及び仕切り板を互いに独立して交換することができこれにより、ガス吐出領域の分割数及び隔壁の数や形状を変更できる。つまり、搭載基板のサイズ変更や基板配置の変更時においても、ヘッド本体を交換する必要がなく、コストの低減や作業時間の短縮ができる。
【００２７】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁により分割された領域ごとに原料ガス導入量調節部が設けられ、当該原料ガス導入量調節部により、上記領域ごとから上記成長室に供給される原料ガスの導入量を制御することが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、原料ガス導入量調節部により、原料ガス供給源から原料ガス室の各領域に供給される原料ガスの導入量（流速及び濃度など）を自由に制御することができる。つまり、被処理基板での成長状況によって、各領域への原料ガスの流速及び濃度を制御して、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【００２９】
また、上記気相成長装置において、上記原料ガス整流室は、上記原料ガス室の下流に位置し、当該原料ガス室と同数以上設けられていることが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、成長室内を複数の領域に分割した場合、それに対応して原料ガス室の領域毎に原料ガスを整流することができる。
【００３１】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁により分割される上記原料ガス室の上記最下流層は、上記被処理基板に対して内周から外周への周方向で複数領域に分割されることが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、成長室に設置されたサセプタの回転に対応して、均一な原料ガスを供給することができる。
【００３３】
また、上記気相成長装置において、上記原料ガス室には、その内壁面と所定の間隔をおいて開口付壁が設置されていることが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、原料ガス供給源から供給された原料ガスを、開口付壁に形成された開口を通じて原料ガス室の奥に供給するので、ガスの均一化を図ることができる。
【００３５】
さらに、上記気相成長装置において、上記原料ガス室の内壁面及び上記開口付壁は環状になって、両者の間に環状流路が形成され、当該環状流路に対して複数の上記原料ガス導入口が均等に形成されていることが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、ガス導入口により、原料ガスを、環状の原料ガス室の外周から、水平方向に均等に原料ガス室の奥まで供給することができる。
また、上記気相成長装置は、上記原料ガス整流室の下流に設置され上記原料ガスが供給されるガス混合部と、当該ガス混合部に上記原料ガスとは異なる種類のガスを吐出する吐出手段とをさらに備えることが好ましい。
【００３７】
上記構成によれば、複数種のガスをガス混合部で充分に混合してから成長室へ供給し、基板上に均一に製膜することができる。
【００３８】
なお、上記吐出手段におけるガス混合部側の端部（ガスの供給管）は、ガス混合部に供給される原料ガスの流れ方向に沿った形状に形成されることが好ましい。これによれば、吐出手段の存在により、原料ガスの流れが乱される虞を抑制可能となる。また、ガス混合部に供されるガス（原料ガス、及び原料ガスとは異なる種類のガス）の流れが同方向に揃うため、ガスの流れがより乱れにくくなる。
【００３９】
また、上記気相成長装置において、上記内周領域と外周領域において、上記ガス混合部から吐出されるガスの流速分布の差が、５％以内に制御されることが好ましい。
【００４０】
例えば気相成長装置をＬＥＤの製造に用いる場合、当該ＬＥＤの発光バラツキを抑えるために、基板上に製膜される膜の膜厚分布が３％以内であることが望ましい。上記構成によれば、ガス混合部へ供給されるガスの流速分布を５％以内に制御して、基板上に製膜される膜の膜厚分布を３％以内に制御できるようにする。
【００４１】
また、上記気相成長装置において、上記仕切り板に形成された開口が、上記原料ガス整流室を経たガスを通過させる開口より狭いことが好ましい。
【００４２】
上記構成によれば、原料ガスをガス混合部に均一に供給することができる。
【００４３】
さらに、上記気相成長装置において、上記ガス混合部を外部から冷却する水冷部をさらに備えることが好ましい。
【００４４】
上記構成によれば、ガス混合部及び原料ガス室の降温が必要な箇所を冷却することができる。
【００４５】
また、本発明に係るガス吐出装置は、側壁面のガス導入口からガスが導入されるガス室を備えるガス吐出装置であって、上記ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、ガス整流室及び当該ガス整流室を経たガスを吐出するガス吐出口が設けられていることを特徴とする。
【００４６】
また、上記構成によれば、上記ガス室の内部を複数の領域に分割でき、ガス流れ方向の最下流層における、隔壁により分割された領域ごとで、各ガス吐出口の直前に設けられたガス整流室を通してガスを吐出するので、各ガス吐出口からのガス量を均等し、ガス流速を均一化することができる。即ち、各ガス吐出口から実質的に均等にガス吐出が可能なガス吐出装置を提供することができる。
【００４７】
このように、本発明に係るガス吐出装置は、上記気相成長装置だけではなく、ガスを利用して所定の処理を行う装置において、ガスの均等な吐出が必要な装置であればすべて適用できる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、基板の口径サイズ、基板の搭載位置あるいは搭載枚数に関係なく、所望の範囲に原料ガスを均一に吐出することができる。また、隔壁にて区切られた領域ごとに原料ガスの均一化、及び流量制御を行うことが可能となっているため、装置の持つプロセスウインドウを大幅に向上させることができ、より高度な成長技術を得ることができる。
【００４９】
また、ガスの流速、濃度を、被処理基板面内、或いは基板間の膜厚の変動に対して領域ごとに制御することが可能であるため、結晶性に優れた品質の高い結晶成長を実現して、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部構造を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。
【図３】図１に示したシャワーヘッドの上面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッド内の開口付壁の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部で仕切り板及び隔壁のみを示した模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における外周ゾーンを拡大して示した図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部でのガス流れを示した図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンと外周ゾーンとの流量を同じく調整した場合のシミュレーション結果である。
【図９】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流速分布を示した模式図であり、（ａ）は上側ガス室でのガス流速分布を示した図であり、（ｂ）は内周ゾーンでの整流室の内部の流速分布を示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流量が外周ゾーンの流量より少なくなるように調整した場合のシミュレーション結果である。
【図１１】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流量が外周ゾーンの流量より多くなるように調整した場合のシミュレーション結果である。
【図１２】従来技術におけるシャワーヘッドの内部構成を示す平面図である。
【図１３】従来技術における気相成長装置のガス室での反応ガスの流速分布を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。特に、図面では、２種類（第１ガス、第２ガス）の原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ装置の構成例が示している。
【００５３】
このＭＯＣＶＤ装置は、中空部である成長室１１を有する反応炉１と、底面にシャワープレート２３を持つシャワーヘッド２と、シャワーヘッド２に原料ガス（反応ガス）を供給するガス供給装置３と、シャワーヘッド２の水冷部２４に冷却水を供給する水冷装置４と、成長室１１からのガス排出部に接続されたパージライン５と、パージライン５を通って導入される排ガスを処理する排ガス処理装置６とを備えている。
【００５４】
反応炉１は、原料ガスを供給して基板の被処理面に結晶を成長させるための容器であり、その内部には、回転軸１２、回転軸１２を取り囲むようにして設置された被覆板（ヒータカバー）１３、回転軸１２の一端に備え付けられた支持台１４、支持台１４上に設置されたヒータ１５、ヒータ１５上に設置されたサセプタ１６などが設けられている。なお、成長室１１の外周におけるガス流れ方向の下流位置には、排ガスを排出するためのガス排出部（符号なし）が形成されている。
【００５５】
シャワーヘッド２は、反応炉１詳しくは成長室１１の上方に設置されて、シャワーヘッド２の原料ガスの流れ方向の下流に位置しているシャワープレート２３から、成長室１１に原料ガスを提供する。また、シャワープレート２３上の部分に、シャワーヘッド２の内部の温度を下げる水冷部２４を設置する。
【００５６】
なお、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置は、原料ガスをシャワーヘッド２の側面から導入する構成を有している。このため、上部空間に制限がなくなることによりシャワーヘッド２の上部にさまざまな機構や空間を設けることが可能となる。
【００５７】
シャワーヘッド２において、シャワープレート２３は反応炉１内のサセプタ１６と向かい合うようにして設置され、基板（被処理基板）７はシャワープレート２３と向かい合うようにサセプタ１６上に設置され、シャワーヘッド２から原料ガスが供給されると、所望の膜が基板７上に製膜される。また、反応炉１における回転軸１２は、図示しないアクチュエータなどによって回転自在とされており、回転軸１２の回転によりサセプタ１６（基板７）の上面が、対向するシャワープレート２３と平行な状態を保ちながら回転する。気相成長方法により基板７上に製膜する技術は、公知のことであるので、その説明は省略する。
【００５８】
さらに、シャワーヘッド２の内部には、図１，５に示すように、複数の積層方向に区画する仕切り板２６（上側仕切り板２６１、下側仕切り板２６２）と、積層垂直方向にガスの流れを分割する隔壁２７とが設けられている。仕切り板２６により、シャワーヘッド２の内部空間には、第１ガスの上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１が形成され、隔壁２７により、シャワーヘッド２のガス室が内周ゾーンＡと外周ゾーンＢに分けられる。もちろん、本実施の形態では、二つの仕切り板及び一つの隔壁を設置した例を説明するが、本発明において、シャワーヘッド２に設置される仕切り板の数に対しては、必要に応じて適宜設定でき、特に限定がない。なお、シャワーヘッド２の詳細な内部構造については、後述する。
【００５９】
次に、本実施の形態に係るＭＯＣＶＤ装置のガス供給装置３について説明する。このＭＯＣＶＤ装置は２種類の原料ガスが供給される。仕切り板２６（２６１、２６２）により区画された積層構造に応じて、第１ガスの供給源として、第１ガス上側供給源３０と第１ガス下側供給源３１とに分けて設置し、第２ガスの供給源として第２ガス供給源３２を設置している。
【００６０】
また、第１ガス上側供給源３０、第１ガス下側供給源３１には、第１ガスをシャワーヘッド２の第１ガス導入口（第１ガス上側導入口２０、第１ガス下側導入口２１；図１を参照）に導入するために、それぞれ第１ガス配管（第１ガス上側配管３０１、第１ガス下側配管３１１）が接続されている。さらに、第１ガス上側供給源３０及び第１ガス下側供給源３１には、供給するガスの量を調節できる手段として、それぞれ第１上側マスフローコントローラ（原料ガス導入量調節部）３０２、第１下側マスフローコントローラ（原料ガス導入量調節部）３１２が設置されている。ここで、第１ガス上側供給源３０及び第１ガス下側供給源３１は、２系統の第１ガス上側配管３０１、第１ガス下側配管３１１を介して、それぞれシャワーヘッド２の第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１第１ガス導入口に接続されている。
【００６１】
同様に、第２ガス供給源３２には、第２ガスをシャワーヘッド２の第２ガス導入口２２（図１を参照）に導入するために、第２ガス配管３２１が接続されており、第２ガス供給源３２から供給するガスの量を調節できる手段として、第２マスフローコントローラ３２２が接続されている。ここで、第２ガス供給源３２は、第２ガス配管３２１を介して、シャワーヘッド２の第２ガス導入口２２に接続されている。
【００６２】
なお、マスフローコントローラ（３０２、３１２、３２２）は図示しない制御部によりシャワーヘッド２のガス導入口（２０、２１、２２）へのガス導入量を制御する。
【００６３】
さらに、このＭＯＣＶＤ装置は、水冷系配管４０を介して、シャワーヘッド２の水冷部２４に、冷却水を供給する水冷装置４と、成長室１１の内部のガスを外部に排出するためのガス排気部に接続されるパージライン５と、パージライン５に接続される排ガス処理装置６とを有している。これにより、成長室１１の内部に導入されたガスはガス排気部によって成長室１１の外部に排気され、排気されたガスはパージライン５を通って排ガス処理装置６に導入され、排ガス処理装置６において無害化される。
【００６４】
引き続いて、図面を参照して、シャワーヘッド２の詳細構造について具体的に説明する。
【００６５】
図１は、シャワーヘッド２の内部構造を示す構成図であり、図３は、本実施の形態に係るシャワーヘッド２の上面を示す概略平面図であり、図３のａ−ａ線断面図が図１となっている。また、図４は、シャワーヘッド２内の開口付壁２５の構成を示す斜視図であり、図５は、仕切り板２６及び隔壁２７の構造及び設置位置を模式的に示す図であり、図６は、シャワーヘッド２の外周ゾーンＢを拡大して示す図である。また、図７は、図１に示したシャワーヘッド２の内部でのガスの流れを示す図である。なお、分りやすくするため、図３では、図１よりも第２ガスパイプ２２０の本数を減らした様子が示されている。
【００６６】
本実施の形態の係るシャワーヘッド２は、図３に示す通り環状であり、第１ガスはシャワーヘッド２の外周面にある４カ所の第１ガス導入口（２０・２１）から供給される。すなわち、図１に示すように、シャワーヘッド２は、その上流の外周部に、第１ガス上側供給源３０と接続する第１ガス上側導入口２０と、第１ガス下側供給源３１と接続する第１ガス下側導入口２１とが形成されている。ここで、第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１は、シャワーヘッド２の外周面から内部に延伸して形成されている。本実施の形態において、４対の第１ガス導入口（２０・２１）は、ガス供給の均一性を保つため、環状に形成されたシャワーヘッド２の直交する直径の両端にそれぞれ形成されている。また、第１ガス導入口（２０、２１）、それぞれの導入口に対応する第１ガスパイプ（第１ガス上側パイプ２００、第１ガス下側パイプ２１０）が貫通されており、当該第１ガスパイプ（２００、２１０）は、一端がそれぞれ対応する第１ガス配管（３０１、３１１）と接続し、他の一端がシャワーヘッド２の内部まで延伸されている。
【００６７】
同様に、シャワーヘッド２は、その頂部に、第２ガス供給源３２と接続する第２ガス導入口２２が形成されている。当該第２ガス導入口２２は、第２ガスの進入方向がシャワーヘッド２へ供給される第１ガスの進入方向と垂直になるように、シャワーヘッド２上の反応炉１に対向している面の反対側の面から内部に延伸して形成されており、第２ガスパイプ２２０は、一端が第２ガス配管３２１と接続し、他の一端がシャワーヘッド２の下半部に位置しているガス混合部まで延伸されている。
【００６８】
以下、説明を理解しやすくするため、第１ガスパイプ（２００、２１０）の第１ガス配管（３０１、３１１）と接続する端部をそれぞれ第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１とし、第２ガスパイプ２２０の第２ガス配管３２１と接続する端部を第２ガス導入口２２とする。なお、第１ガスパイプ（２００、２１０）及び／或いは第２ガスパイプ２２０を設置せずに、第１ガス配管（３０１、３１１）及び／或いは第２ガス配管３２１を直接所定の位置まで延伸して設置することも可能である。
【００６９】
また、シャワーヘッド２の内部には、内壁面と所定の位置を離れて、開口付壁２５が設置され、図４に示すように、開口付壁２５には複数の開口２５０、２５１が形成されている。第１ガスパイプ（２００、２１０）を経たガスは開口付壁２５の開口２５０、２５１を通って、第１ガスの上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１に供給される。なお、第１ガスの具体的な流れについては後述する。
【００７０】
また、上記のように、シャワーヘッド２には、図５に示すように、その内部を複数の積層方向に区画する仕切り板２６（２６１、２６２）と、積層方向に対して垂直な方向にガスの流れを分割する隔壁２７とが設けられている。
【００７１】
詳しくは、まず、二つの仕切り板２６（２６１、２６２）を設置して、シャワーヘッド２のガス室を積層方向に垂直な方向に区画する。上側仕切り板２６１は、第１ガス導入口（２０、２１）から供給される第１ガスが上下に分けられるように、第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１との間の位置に設けられている。ここで、上側仕切り板２６１の上に形成される空間を第１ガスの上側ガス室２０１とする。また、円筒状の隔壁２７を設置し、図１に示すように、上側仕切り板２６１の下に形成された空間が、シャワーヘッド２の中央部を含む内周ゾーンＡと内周ゾーンＡを囲むように形成された外周ゾーンＢに分けられるように、一端が上側仕切り板２６１の底面にそれと垂直に設置され、他の一端が最下層のガス室の底部まで延伸して設置されている。このとき、隔壁２７の設置位置に対応して、下側仕切り板２６２の中心部を隔壁２７が貫通可能に開口させる。
【００７２】
ここで、下側仕切り板２６２を設置することで、上側仕切り板２６１の下の空間がさらに第１ガスの下側ガス室２１１と当該下側ガス室２１１の下側における外周整流室２１２とに区画される。また、上側仕切り板２６１の底面と隔壁２７の内周面とにより囲まれた空間を内周整流室２７２とする。ここで、外周整流室２１２及び内周整流室２７２は、それぞれ対応する原料ガス室の同数以上設けることもできる。例えば、各ゾーンでの一つの原料ガス室の下に一つ以上の整流室を設けることができ、二つ以上の整流室を設けるときは、各整流室を径の異なるドーナツ状かつ同心状に配置することができる。
【００７３】
なお、シャワーヘッド２の内壁面と開口付壁２５との間に形成された空間をガス流路とし、上下側の仕切り板（２６１、２６２）に対応して、第１ガスの上側ガス流路２０１’、第１ガスの下側ガス流路２１１’とする。
【００７４】
このように、本実施の形態では、上側仕切り板２６１の下に形成された空間に隔壁２７を設置した構成を用いたが、隔壁２７による各ゾーンへのガスの供給が可能である構成であれば、積層方向に区画された各層を隔壁２７にて分割することも可能である。
【００７５】
ここで、仕切り板２６の構成について詳細に説明する。
【００７６】
例えば、仕切り板２６は、ガス室を積層方向に区画できる平板であればよい。また、第２ガスパイプ２２０が通過するための貫通孔を形成する。
【００７７】
本実施の形態において、第１ガスの上側ガス室２０１における第１ガスの実質的に全部を内周整流室２７２に流すことがより好ましいので、上側仕切り板２６１において、第２ガスパイプ２２０が通過する部分と、内周整流室２７２の上部に対応する部分以外は、開口を形成しないことが好ましい。
【００７８】
つまり、内周整流室２７２の上部に対応する上側仕切り板２６１の部分に形成される開口としては、第１ガスが通過可能であれば特に限定されない。または、第２ガスパイプ２２０を通過させるための貫通孔を、第２ガスパイプ２２０の外径より大きく形成してなる隙間２６１’（図６を参照）によって、第１ガスを通過させる。また、上記のように、下側仕切り板２６２には、ほぼ内周整流室２７２の外径の大きさに該当する開口を形成する。
【００７９】
なお、第１ガスの上側ガス室２０１から内周整流室２７２へのガス流量をより多く流す場合は、上側仕切り板２６１のように、第２ガスパイプ２２０を通過させる貫通孔の以外に、第１ガスの下側ガス室２１１から外周整流室２１２にガスを通過させる孔（ガス通過孔）をさらに形成してもよい。この場合、ガスの均等な通過を実現するため、第２ガスパイプ２２０と当該第２ガスパイプ２２０を通過させる貫通孔との間の隙間２６１’（図６を参照）と、上記ガス通過孔とが同等の面積になるよう形成することが好ましい場合がある。
【００８０】
また、シャワーヘッド２の下半部にはガス混合部がある。ガス混合部は、外周整流室２１２及び内周整流室２７２からの第１ガスが流れ込む第３ガスパイプ２８を備え、第３ガスパイプ２８内のガス流れ方向の上部には、第２ガスを供給する第２ガスパイプ２２０が挿入されているので、第１ガスと第２ガスとは、第３ガスパイプ２８内のガス流れ方向の下部におけるガス混合ゾーン２８０で混合される。ここで、第３ガスパイプ２８は、第２ガスパイプ２２０と一対一に対応して設置され、図３に示すように格子状に配置されている。図面では、一部の第３ガスパイプ２８のみが示されている。
【００８１】
なお、シャワーヘッド２のガス流れ方向の最終端において、第３ガスパイプ２８の数及び設置位置に合わせて形成された構成をシャワープレート２３と見なしてもよい。
【００８２】
また、図１の外周ゾーンＢの一部を拡大して示した図６のように、第２ガスパイプ２２０は、上側ガス室２０１、下側ガス室２１１、内周整流室２７２、外周整流室２１２を貫通している。また、第２ガスパイプ２２０は上側仕切り板２６１及び下側仕切り板２６２も貫通している。各仕切り板を貫通させるため、第２ガスパイプ５８よりもわずかに大きな貫通孔が仕切り板に形成され、上側仕切り板２６１には隙間２６１’、下側仕切り板２６２には隙間２６２’が形成されている。ここで、各仕切り板上の貫通孔は、第２ガスパイプ２２０に対応して格子状に配置され、周方向０度を基準に水平及び垂直に配列されているため、周方向４５度のピッチは、周方向０度のピッチよりルート２倍となっている（図３を参照）。
【００８３】
本実施の形態では、外径φ２．５ｍｍの第２ガスパイプ２２０を貫通させるために、各仕切り板に内径φ３ｍｍの貫通孔を開き、さらに当該第２ガスパイプ２２０の中心と貫通孔の中心とを一致させている。このため各仕切り板と第２ガスパイプ２２０との間には０．２５ｍｍの隙間がある。各仕切り板の貫通孔は、上側ガス室２０１と内周整流室２７２を仕切る仕切り板２６１に設けられた貫通孔の隙間２６１’及び下側ガス室２１１と外周整流室２１２を仕切る仕切り板２６２に設けられた貫通孔の隙間２６２’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことが望ましい。この構成を取ることにより、第１ガスが均等にガス混合ゾーン２８０へ供給できる。
【００８４】
なお、ガス混合部のガス混合ゾーン２８０の周辺には水冷部２４が設けられている。水冷部２４は、冷却水流入口２４１、冷却水流出口２４２と、冷却水を流すための冷却水流路２４０とにより構成されている。つまり、水冷装置４からの冷却水は、水冷系配管４１を介して冷却水流入口２４１から水冷部２４の内部に入り、冷却水流路２４０を経て冷却水流出口２４２から外に排出される。第１ガス及び第２ガスが混合される時の温度を下げるためには、第３ガスパイプの外周の少なくとも一部が囲まれるように冷却水流路２４０を形成するのが好ましい。
【００８５】
以上のように、シャワーヘッド２は側面から第１ガスが供給され、上面から第２ガスが供給されるようになっている。また、シャワーヘッド２の内部は内周ゾーンＡと外周ゾーンＢに分かれており、内周ゾーンＡ、外周ゾーンＢには各々独立した供給手段から第１ガスが供給され、独立して第１ガスの供給量が制御できるようになっている。これは、上述したように第１ガスであるＴＭＧなどの第３族ガスの供給量は半導体の膜厚とリニアな関係があるため、製膜ゾーン内の中央部である内周ゾーンと端部である外周ゾーンとで分けて制御することにより、形成される半導体の膜厚をエリアで制御するためである。このようにすれば、第３族・第５族のガスを両方制御する必要がなく第３族だけ制御すれば半導体の膜厚を制御することができるため装置の複雑化・大型化をさけることができ効果的である。
【００８６】
次に、シャワーヘッド２の内部でガス室、ガス整流室を構成する仕切り板及び隔壁の設置方式について説明する。
【００８７】
本発明に適応される仕切り板２６（２６１、２６２）及び隔壁２７については、上側ガス室２０１、内周整流室２７２、下側ガス室２１１、外周整流室２１２が、それぞれ独立構造となっている。特に、図５に示す隔壁２７の端部Ｃの以外においては、溶接や削りだしなどの加工方法にて原料ガスの流入等は無い。
【００８８】
しかし、端部Ｃに関しては、封止用の部材を別途設ける場合を除き、完全な封止構造を形成しない。これは、下側ガス室２１１において、隔壁２７の端部Ｃから第２ガスが内周整流室２７２に漏れることを防止するためだけではなく、仕切り板２６及び隔壁２７が、容易にシャワーヘッド２の本体から取り外しを行える構成としているためでもある。仕切り板２６及び隔壁２７が、容易に分解取り外しを行えることにより、例えば内部の仕切り板２６や隔壁２７部分を取り替えるだけで、ガス室や整流室の分割領域、各ガス室の高さ等を自由に変更することが可能となる。
【００８９】
例えば、従来の構造では溶接による一体構造など、内部の分解には非常に困難を要するものであったが、本発明のシャワーヘッドの２内部構造はその課題を解決することができる。更には上記したように、端部Ｃ、上側ガス流路外周部２０１”、下側ガス流路外周部２１１”についても、例えば必要に応じてゴム体等の弾性体、あるいはバネ様の形状を持った封止ができる構成部材を配置することにより、端部Ｃ、上側ガス流路外周部２０１”、下側ガス流路外周部２１１”の各部を確実に封止可能である。本実施の形成においては、ゴム体のＯリングを配置できる構成とし、端部Ｃ、その他の部分についても完全に独立構造としている。
【００９０】
ここで、例えば、仕切り板２６（２６１、２６２）及び隔壁２７を、それぞれ独立して原料ガス室（上側ガス室２０１と下側ガス室２１１）に設置した場合は、必要に応じて、上記のように、仕切り板２６と隔壁２７との接続部分及び仕切り板２６と原料ガス室の内壁との接続部分及び隔壁２７と原料ガス室の内壁との接続部分に、上記のような封止部材を配置してガスの漏れなどを防止する。特に、上記端部Ｃと、その反対側の上側仕切り板２６１と隔壁２７との接続部分にゴム体のＯリングなどを配置して、下側ガス室２１１または外周整流室２１２内のガスが内周整流室２７２に入ることを防止する。この構成では、仕切り板２６及び隔壁２７が原料ガス室とそれぞれ独立して設置されたので、容易に分解取り外し及び内部の分解を行うことが可能である。
【００９１】
または、例えば、仕切り板２６（２６１、２６２）と隔壁２７とを一体型に形成した場合は、上記端部Ｃにゴム体のＯリングなどを配置して、外周整流室２１２内のガスが内周整流室２７２に入ることを防止する。この構成では、仕切り板２６と隔壁２７とが原料ガス室と一体構造になっていなので、容易に分解取り外しを行うことが可能である。
【００９２】
このように、隔壁２７及び仕切り板２６の構造が互いに独立に交換可能である構成を取るため、基板７のサイズ変更や基板７の配置を変更する場合においても、原料ガス室の全体構造を交換する必要がなく、コスト的、また作業時間の大幅短縮が可能となる。
【００９３】
もちろん、本発明は、本実施の形態において記載の構造に限定されず、仕切り板を用いて二つ以上の空間を形成するという過程で形状は限定されない。
【００９４】
次に、図７に基づいて、シャワーヘッド２の内部での実際のガス流れについて説明する。
【００９５】
上述したように、第１ガスは、第１ガス導入口（２０、２１）を通り、第１ガスパイプ（２００、２１０）を経て、ガス流路（２０１’、２１１’）で分散され、図４に示す開口付壁２５に設けられた複数の開口２５０、２５１を通って、第１ガス室（２０１、２１１）へ供給されるようになっている。
【００９６】
より詳しくは、図７に示すように、まず外周ゾーンＢにおいて、第１ガスは、第１ガス下側導入口２１から流入され、下側ガス流路２１１’及び開口付壁２５を通って下側ガス流路２１１’に供給され、その下にある外周整流室２１２で整流されて、第３ガスパイプ２８よりガス混合ゾーン２８０へ供給されることとなる。
【００９７】
このように、環状の開口付壁２５は、壁面に設けられた複数の開口２５０、２５１から第１ガスを供給することにより、第１ガスの下側ガス室２１１へのガス供給の均一化に寄与する。このとき、第１ガス下側導入口２１から近い部分に設けられた開口の間隔より、遠い部分（例えば図３のｂ−ｂ線近傍）の開口の間隔を狭くすることにより、より均一化を図ることができる。また、下側ガス室２１１と外周整流室２１２を仕切る仕切り板２６２に設けられた貫通孔の隙間２６２’から外周整流室２１２へ原料ガスを流入させるることにより、供給された第１ガスがゆっくりと外周整流室２１２に充満され、ガス流量速度が流入側と反対側とで揃うことになり第１ガスが整流される。さらに、隙間２６２’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことにより、第１ガスが十分に整流され、均等に第３ガスパイプ２８からガス混合ゾーン２８０へ供給されることになる。
【００９８】
また、第２ガスは第２ガスパイプ２２０よりガス混合ゾーン２８０へ供給される。このようにガスを供給することにより、均一な反応ガスの供給が可能となる。例えば、第１ガスとしてＴＭＡ、第２ガスとしてアンモニアを用いた場合、ガス混合ゾーン２８０で窒化アルミニウムとなり、基板７（図２を参照）上に半導体として窒化アルミニウムを均一に製膜することができる。複数枚の基板を置いた場合であっても、各基板間で均一化が図れ、ＬＥＤの品質向上に寄与する。
【００９９】
次に、内周ゾーンＡにおいて、第１ガスは、第１ガス上側導入口２０から流入され、上側ガス流路２０１’及び開口付壁２５を通って上側ガス室２０１に供給され、内周ゾーンＡの内周整流室２７２で整流されて、第３ガスパイプ２８よりガス混合ゾーン２８０へ供給されることとなる。
【０１００】
このように上側ガス室２０１と内周整流室２７２を仕切る仕切り板２６１に設けられた貫通孔の隙間２６１’から内周整流室２７２へ原料ガスを流入させることにより、供給された第１ガスがゆっくりと内周整流室２７２に充満され、ガス流量速度が流入側と反対側とで揃うことになり第１ガスが整流される。このとき、隙間２６１’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことにより、第１ガスが十分に整流され均等に第３ガスパイプ２８からガス混合ゾーン２８０へ供給されることになる。同じく、第２ガスは第２ガスパイプ２２０よりガス混合ゾーン２８０へ供給される。このようにガスを供給することにより、外周ゾーンＢと同様に均一な反応ガスの供給が可能となる。
【０１０１】
このとき、上側仕切り板２６１においては、第２ガスパイプ２２０を貫通させる貫通孔が存在する為、上側ガス室２０１と下側ガス室２１１との間はわずかに第１ガスが相互に混じることになる。しかし、各ガス室に送られるガスの量と比較すればわずかであり、また内周整流室２７２と外周整流室２１２は隔壁２７により相互に干渉されることがなく、ガス混合ゾーン２８０、基板７に到達する際は、完全に内周ゾーンＡと外周ゾーンＢとが互いに独立に制御されるものとなっている。
【０１０２】
ここで、内周ゾーンＡと外周ゾーンＢとのガス流速分布の差が５％以内であることが好ましい。これは、ＬＥＤの発光バラツキを抑えるために、基板上に製膜される膜の膜厚分布が３％以内であることが望まれるが、それを確実に満たすためには、ガス混合ゾーン２８０へ供給されるガスの流速分布が５％以内であることが望まれるからである。このとき、第１ガスのコントロールが重要であることは上述した通りである。
【０１０３】
実際の第１ガスのシミュレーション結果を図８に示す。計算精度を向上させる為、周方向０度及び４５度方向の２方向の結果を示している。周方向０度方向は、図３のａ−ａ線方向であり、周方向４５度は、周方向０度に対して４５度のライン方向であるｂ−ｂ線方向である。上述したように、ガスパイプ２２０、２８は格子状に配置され、周方向０度を基準に水平・垂直に配列されているため、周方向４５度のガスパイプ２２０、２８のピッチは、周方向０度のピッチよりルート２倍となっている。なお、周方向４５を選定したのはガス導入口からもっとも遠いからである。
【０１０４】
本実施の形態において、シミュレーションに用いるシャワーヘッド２の各部寸法は以下の通りである。まず、上側ガス流路２０１’の高さは５ｍｍ、上側ガス室２０１の高さは１０ｍｍ、その下にある内周整流室２７２の高さを１５ｍｍと規定した。また内周ゾーンＡの外径は直径１５０ｍｍと規定している。
【０１０５】
一方、外周部分の設計上の各寸法を下側ガス流路２１１’の高さは５ｍｍ、下側ガス室２１１の高さは１０ｍｍ、その下にある外周整流室２１２の高さを５ｍｍと規定した。このときの外周ゾーンＢの範囲は直径の内周１５０ｍｍから外周５８０ｍｍである。このガス室の大きさは、例えば４インチ基板を１９枚搭載した場合の必要サイズである。
【０１０６】
このとき、原料ガスは第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１から同時に投入し、流量比はそれぞれ１：３とした。このときの総流量は４００ＳＬＭで、成長室１１の内部の圧力は４００Ｔｏｒｒとしている。
【０１０７】
本シミュレーションの結果、流速分布は、内周ゾーンＡが０．３１％のバラツキ、外周ゾーンＢが４．８７％のバラツキとなり、全体では４．８５％のバラツキという結果になった。この結果は、上述した膜厚制御が可能な好ましいものである。
【０１０８】
一例として、図９に上側ガス室２０１と内周整流室２７２の内部における平面流速分布のシミュレーション結果を示す。
【０１０９】
図９（ａ）は、第１ガス上側導入口２０から第１ガスが供給された状態の上側ガス室２０１内部の流速分布を示す図である。状態をみると、第１ガス上側導入口２０の近傍では、原料ガスが円環状リングから供給された流速分布が傾向として残っている（Ｄ部）。この状態で、基板に第１ガスを供給すると、ガス導入口に近い側のガス流量が多くなり、基板上に形成される膜厚が不均一となってしまう。
【０１１０】
一方、図９（ｂ）に内周整流室２７２内部の流速分布が示されている。上側ガス室２０１から内周整流室２７２へ第１ガスが供給された状態の内周整流室２７２の内部流速分布をみると、上側ガス室２０１の上記Ｄ部の不均一分布が内周整流室２７２に入ることにより消えており、内部が均一な状態の流速分布であることがわかる。この状態でガス混合ゾーン２８０に第１ガスを供給することにより、基板７上には流速分布が均等な反応したガスが供給されることになる。これにより、内周ゾーンにおいて均一膜厚で且つ高品質な膜質を持つ膜を成長させることが可能となる。
【０１１１】
この効果は、外周ゾーンでのガスの流速分布にも同じ効果がある。
外周ゾーンでは、下側ガス室２１１から外周整流室２１２を経由させて成長室にガスを供給することで、内周整流室２７２を経由した場合と同じ効果が得られる。すなわち、下側ガス室２１１のガスが外周整流室２１２にはいることによりガス流速の不均一分布が消え、均一な状態の流速分布になる。これにより、外周ゾーンにおいても均一膜厚で且つ高品質な膜質を持つ膜を成長させることが可能となる。
【０１１２】
さらに、本発明では、上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１に供給されるガスの量を独立して制御するので、それぞれに対応する内周ゾーンと外周ゾーンとが均一なガス流量を有するように簡単に制御できる。
【０１１３】
これに比べ、例えば、上記特許文献３のように、成長室周囲に環状のガス排出部を設置し、ガス排出部に均等配置した排気孔を介して原料ガスを排出する場合の成長室でのガス流量シミュレーション結果は、図１３に示すとおりである。すなわち、図１３に示すように、成長室の中心部から外周部に沿って原料ガスの流速が大きくなり、中心部と外周部とで均一な気相成長を実現することが困難である。
【０１１４】
一方、上記課題のところでも述べたが、基板の大口径化、基板の搭載枚数の増加に伴いＭＯＣＶＤ装置が大型化し、それに伴いシャワー孔領域も大きくなる傾向にある。シャワー方式のＭＯＣＶＤ装置においては、そのシャワー孔領域が大きくなるにつれ、例えば、内周ゾーンＡに供給されたガスが全て気相反応するとは限らず、寄与しなかったガスが外周ゾーンＢへ排気される際に外周ゾーンＢで気相反応に寄与してしまい、膜厚分布に影響してしまうという懸念がある。これは特に大型装置になればなるほど傾向は顕著となる。
【０１１５】
これらの問題を回避するために、内周ゾーンＡと外周ゾーンＢで流速（流量）を制御し、基板全体からみて膜厚分布が均等になるように制御を行う。ガスの種類や条件によって、内周ゾーンＡから外周ゾーンＢに向かうもの（外周排気）、外周ゾーンＢから内周ゾーンＡに向かうもの（中心排気）があるが、本発明のシャワーヘッド２をＭＯＣＶＤ装置に搭載することにより、どのような構成のガスの流れでも均等に、且つ容易に流速分布を作り出すことが可能となる。
【０１１６】
以下、このような様々な条件によっても本発明が有効であることをシミュレーションによって示す。
【０１１７】
図１０にガス流速の関係が、外周ゾーンＢのガス流量が内周ゾーンＡよりも多い場合のシミュレーション結果を示す。このときの流量条件は、第１ガス上側導入口２０に１００ＳＬＭ、第１ガス下側導入口２１に７００ＳＬＭの流量とした。これは本実施の形態で構成される装置が備える排ガス処理装置（除害装置）６の処理能力が８００ＳＬＭである為に、供給する原料ガスの総流量が８００ＳＬＭを超えないよう比率分配で規定している。
【０１１８】
結果としては、第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１との流量を上記流量に調整することにより、各ゾーンでの流速分布バラツキはそれぞれ５％以内を達成することができた。
【０１１９】
図１１は、図１０とは逆に内周ゾーンＡのガス流量が外周ゾーンＢよりも多い場合のシミュレーション結果である。このときの流量条件は、第１ガス上側導入口２０に８００ＳＬＭ、第１ガス下側導入口２１に０ＳＬＭの流量と規定した。この時の流量に対する規定は上記と同等である。
【０１２０】
結果は、［内周ゾーンＡ＜外周ゾーンＢ］の分布の実現も可能となった。
【０１２１】
流量投入量の規定については本発明に限定されるものではなく、排ガス処理装置（除害装置）６の能力や流すガス種においても限定されるものではない。
【０１２２】
これらの結果から、本発明におけるシャワーヘッド孔から吐出される制御可能な流速条件は［内周ゾーンＡ＜外周ゾーンＢ］と、［内周ゾーンＡ＝外周ゾーンＢ］と、［内周ゾーンＡ＞外周ゾーンＢ］との、どのような分布も自由に作り出すことができ、且つ流速分布の均一性５％以下を達成することが可能となるため、非常に制御性の優れた、且つ流速分布の均一性が高いシャワーヘッド２の提供が可能となった。
【０１２３】
なお、上記実施形態の説明では、ガス室を上下側に２層形成した場合を説明したが、ガス室内部に積層方向に仕切り板を追加して３層以上形成する場合も上記と同じ効果が得られる。
【０１２４】
例えば、ガス室を３層（上側ガス室、中間ガス室、下側ガス室）形成した場合の仕切り板、隔壁の設置形式を説明すると下記の通りである。
【０１２５】
ガス室の内部を３層に分割するには、仕切り板により分割されるガス室の最下層に整流室を形成する場合は、３つの仕切り板を設置することもできるし、整流室をガス室の底部に単独に設置する場合は、２つの仕切り板を設置することもできる。
【０１２６】
上記実施形態と比べ、ガス室の内部が３層に分割される構成に対しては、円筒状の隔壁を１個追加することで、最下層のガス室を積層方向に垂直な方向に内周ゾーン、外周ゾーン及び内周ゾーンと外周ゾーン部との間に形成される中間周ゾーンに区画することができる。
【０１２７】
この場合、１つの円筒状の隔壁（１）は、上記実施形態における隔壁２７と同じように設置すればよい。すなわち、一端を上側ガス室と中間ガス室とを仕切る仕切り板の底面にそれと垂直に設置し、他端を最下層のガス室の底部まで延伸して設置する。これにより、最下層のガス室は、内周ゾーン及び外周ゾーンに区画される。そして、他の１つの円筒状の隔壁（２）は、上記１つの隔壁（１）を囲むように同心状に設置し、一端を中間ガス室と下側ガス室とを仕切る仕切り板の底面にそれと垂直に設置し、他端を最下層のガス室の底部まで延伸して設置する。これにより、最下層のガス室において、上記外周ゾーンはさらに中間周ゾーン及び外周ゾーンに区画される。
【０１２８】
したがって、上記の構成により、上中下側のガス室へのガス流速をそれぞれ制御することで、内周ゾーン、中間周ゾーン及び外周ゾーンでのガス供給の均一化を図ることができる。
【０１２９】
もちろん、ガス室の内部を４層またはそれ以上に区画した場合も同様である。
【０１３０】
以上のように、側面部から原料ガスを導入する構造において、シャワー孔領域全範囲での、原料ガス流速分布・濃度分布の均一化、更には内周部・外周部といったそれぞれのゾーンでの原料ガス流速分布の均一化、また、それぞれのゾーン別に原料ガスの流速面内分布を均一化した状態で流速制御を可能とする構成を取ることにより、基板表面反応の制御性を向上させることが可能となるＭＯＣＶＤ装置を提供する。
【０１３１】
以下、本発明で用いるガス種について、第３〜第５族半導体を基に簡単に説明する。第１ガスの構成元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはＩｎ（インジウム）などがあり、第１ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの第３族の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。また、第２ガスの構成元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、第２ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ3）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの第５族の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１３２】
これらのガスを、それぞれ第１ガス供給源３０・３１、第２ガス供給源３２から供給することにより、ＬＥＤなどに用いる第３〜第５族半導体を製膜することができる。ここで、第３〜第５族半導体の膜厚は第３族ガス、例えばＴＭＡ供給量の増加に伴って厚くなり、膜厚とＴＭＡ供給量にはリニアな関係があるため、第３族ガスの流速分布の均一化が特に重要である。
【０１３３】
また、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉１、シャワーヘッド２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。
【０１３４】
また、本発明に係るガス吐出装置は、上記ＭＯＣＶＤ装置だけではなく、ガスを利用して所定の処理を行う装置において、ガスの均等な吐出が必要な装置であればすべて適用できる。
【０１３５】
本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明は、複数種類のガスを必要とする気相成長装置のガス供給手段に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１ 反応炉
１１ 成長室
１２ 回転軸
１３ 被覆板
１４ 支持台
１５ ヒータ
１６ サセプタ
２ シャワーヘッド
２０ 第１ガス上側導入口（第１ガス導入口）
２１ 第１ガス下側導入口（第１ガス導入口）
２００ 第１ガス上側パイプ（第１ガスパイプ）
２１０ 第１ガス下側パイプ（第１ガスパイプ）
２０１ 上側ガス室（原料ガス室）
２０１’ 上側ガス流路（第１ガス流路、環状流路）
２１１ 下側ガス室（原料ガス室）
２１１’ 下側ガス流路（第１ガス流路、環状流路）
２１２ 外周整流室（原料ガス整流室）
２２ 第２ガス導入口
２２０ 第２ガスパイプ
２３ シャワープレート
２４ 水冷部
２４０ 冷却水流路
２４１ 冷却水流入口
２４２ 冷却水流出口
２５ 開口付壁
２６１ 上側仕切り板（仕切り板）
２６２ 下側仕切り板（仕切り板）
２７ 隔壁
２７２ 内周整流室（原料ガス整流室）
２８ 第３ガスパイプ
２８０ ガス混合ゾーン
３ ガス供給装置
４ 水冷装置
５ パージライン
６ 排ガス処理装置
７ 基板（被処理基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板（被処理基板）上に、例えば半導体薄膜を堆積させる気相成長装置等に関するものであり、特に、複数のガスを必要とする有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）での原料ガスを供給する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置は、有機金属やその他のガスを用いて結晶成長を行う装置であって、工業的に素子を量産する場合には一般にＭＯＣＶＤ装置が使用されている。例えば、発光ダイオード及び半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの第３族有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの第５族水素化合物ガスと、を成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して、基板上に化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ装置が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、上記の原料ガスを窒素などの不活性ガス、または水素ガスとともにＭＯＣＶＤ装置の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では、成長させる化合物半導体結晶の品質を向上させるとともに、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが要求されている。
【０００４】
まず、化合物半導体結晶の品質向上について説明すると、原料ガスの均一化が有効な手段として従来より用いられてきた。
【０００５】
例えば、特許文献１では、反応ガスを均等な流速分布で基板上に供給し、基板上で気相反応させる方法が示されている。基板設置位置に対して上方の中央部にガス導入口を設け、ガス導入口からシャワープレートへつながる拡開する外壁を設けることにより、シャワープレートのガス吐出孔での反応ガスの速度差を緩和でき、基板上での反応ガスの流速分布、反応ガス濃度の均一化を実現している。
【０００６】
また、特許文献２では、同種のガスに対し複数のガス導入部を有し、個々のガス導入部に設けられた流量調節部にて流量を制御することで、基板表面への反応ガスの流速の均一供給を可能にしている。
【０００７】
さらに、特許文献３では、成長室の上部の周辺部に配置した環状のガス流路に均等に配置したガス導入孔より成長室に反応ガスを吐出させ、また、成長室周囲に環状のガス排出部を設置し、ガス排出部に均等配置した排気孔を介して排ガスを排出することで、基板表面への反応ガスの流速の均一供給を可能にしている。
【０００８】
次に、歩留まりの向上について説明する。ＭＯＣＶＤ装置では、成膜が行われる成長室内は減圧して使用する場合が多いことから、シャワーヘッド内の圧力は成長室内に比べると格段に高く、シャワーヘッド内で気相反応が生じることで、反応生成物がシャワーヘッドのガス吐出孔を塞ぎ、成長室内に反応ガスを供給することができなくなることがある。
【０００９】
これに対して、例えば特許文献４では、図１２に示すように、２種類の供給ガス（第１ガス及び第２ガス）に対応してそれぞれに第１ガス室８１、第２ガス室８２を設け、これらのガス室（８１、８２）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８３を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−７２１９６号公報（公開日：２００５年３月１７日）
【特許文献２】特開２０００−２９４５３８号公報（公開日：２０００年１０月２０日）
【特許文献３】特開平３−２０３２２７号公報（公開日：１９９１年９月４日）
【特許文献４】特開２０００−１４４４３２号公報（公開日：２０００年５月２６日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したように化合物半導体結晶の製造では、コストを抑えて、歩留まりを高め、生産能力を上げることが近年要求されているため、ウェハの大型化への対応、及び複数枚のウェハを同時に処理するためにＭＯＣＶＤ装置の大型化が必要となってきている。このような装置の大型化に伴い、反応ガス、または不活性ガスを大面積で流速分布を均一に供給することが特に大きな課題となっている。
【００１２】
例えば、特許文献１に記載の発明は、ガス導入口の設置位置、及び拡開する外壁を設けることで、基板上に反応ガスを均一に処理するものであるが、処理すべき基板が大型化する伴い、特に基板中央部と端部とで、反応ガスの流速分布、及び反応ガス濃度の制御が困難になる。
【００１３】
また、特許文献２に記載の発明は、複数の領域に区切られたガス室の各々に同種のガスを供給するに際し、これら領域ごとにガス供給手段を設けることにより均一化を図るものであるが、ガス導入部の近傍と端部との不均一は避けられない。特に、近年の装置の大型化に伴い、領域内でのガス導入部近傍と端部との差が問題となってくることは明らかであるが、この問題に対処するために領域をより多数に分割すると、ガス供給手段がより多数必要となり装置が複雑化・大型化する。
【００１４】
さらに、特許文献３に記載の発明も、成長室内における中央部(環状のガス流路の中心付近に対応する成長室内の領域)でガス流速が遅く、端部で速くなり、反応ガスが均一に供給されていない。これは、反応ガスがノズル部材（環状のガス流路の内壁）に衝突し落下するように成長室内に供給されるため、上記中央部に反応ガスが届き難いためと考えられる。
【００１５】
また、他の課題として、例えば、第３〜第５族半導体など複数種のガスを必要とするＣＶＤ法においては、上記何れの従来技術においても均一なガスの供給を歩留まりよく行うことが困難であるという点も挙げられる。
【００１６】
特に、特許文献１に記載の発明は、そもそも構造上、第３〜第５族半導体など２種以上のガス供給が必要な半導体を形成することは困難である。２種以上のガスを同じ領域に供給するためには、ガス供給手段を上下に分けてガスを供給する必要があるが、ガス導入口を基板に対して中央に位置させるという制約から、そのような構成が取れないからである。
【００１７】
また、特許文献４は、例えば、第１ガスと第２ガスとを上下２系統に分けて供給する装置に関するが、反応ガスを均一に供給する手段が記載されていない。
【００１８】
しかし、上層のガス室から供給される第１ガスの均一化を図ることができたとしても、下層にある第２ガスは、第１ガスを供給するノズルが第２ガス室８２内にあるため、その流れが妨げられるので、第１ガス及び第２ガスの双方を均一に供給することは困難である。
【００１９】
上記の問題に鑑みて、本発明の目的は、基板に対する原料ガスのより均一な供給を可能とし、成長膜厚や組成比を向上させ、高品位の膜質の成長を行うことができる気相成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る気相成長装置は、側壁面の原料ガス導入口から原料ガスが導入される原料ガス室と、成長室とを備え、上記原料ガス室から上記成長室に原料ガスを供給して、上記成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置であって、上記原料ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つ原料ガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端が原料ガス室の最下流層の端部まで延伸されて、原料ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、原料ガス整流室及び当該原料ガス整流室を経た原料ガスを上記成長室に吐出する原料ガス吐出口が設けられていることを特徴とする。
【００２１】
ここで、原料ガスは、ガス室の側壁面のガス導入口から入ってから、整流室の底部にある原料ガス吐出口に流れ、原料ガスの流れ方向において、仕切り板により原料ガス室が積層方向に複数の空間に区画される。上記構成において、原料ガス室の最下流層は、原料ガス吐出口に一番近づいている空間であり、原料ガス室の最下流層の端部とは、原料ガス室の積層方向における最下層の区画の底部である。
【００２２】
上記構成によれば、上記原料ガス室の内部を複数の領域に分割でき、ガス流れ方向の最下流層における、隔壁により分割された領域ごとで、各ガス吐出口の直前に設けられた原料ガス整流室を通してガスを吐出するので、各ガス吐出口からの原料ガス量を均等し、ガス流速を均一化することができる。これにより、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【００２３】
なお、仕切り板に形成される上記開口は、複数の小孔であってもよい。複数の小孔を設ける場合、小孔一つあたりの開口面積は特に限定されるものではないが０．１９ｍｍ２〜３８．４ｍｍ２の範囲内であることが好ましく、７．１ｍｍ２〜３８．４ｍｍ２の範囲内であることがより好ましい。
【００２４】
また、上記隔壁は筒状に形成されることが好ましく、円筒状に形成されることがより好ましい。
【００２５】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁は、着脱可能に設置されていることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、原料ガス室を分割する隔壁及び仕切り板を互いに独立して交換することができこれにより、ガス吐出領域の分割数及び隔壁の数や形状を変更できる。つまり、搭載基板のサイズ変更や基板配置の変更時においても、ヘッド本体を交換する必要がなく、コストの低減や作業時間の短縮ができる。
【００２７】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁により分割された領域ごとに原料ガス導入量調節部が設けられ、当該原料ガス導入量調節部により、上記領域ごとから上記成長室に供給される原料ガスの導入量を制御することが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、原料ガス導入量調節部により、原料ガス供給源から原料ガス室の各領域に供給される原料ガスの導入量（流速及び濃度など）を自由に制御することができる。つまり、被処理基板での成長状況によって、各領域への原料ガスの流速及び濃度を制御して、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【００２９】
また、上記気相成長装置において、上記原料ガス整流室は、上記原料ガス室の下流に位置し、当該原料ガス室と同数以上設けられていることが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、成長室内を複数の領域に分割した場合、それに対応して原料ガス室の領域毎に原料ガスを整流することができる。
【００３１】
また、上記気相成長装置において、上記隔壁により分割される上記原料ガス室の上記最下流層は、上記被処理基板に対して内周から外周への周方向で複数領域に分割されることが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、成長室に設置されたサセプタの回転に対応して、均一な原料ガスを供給することができる。
【００３３】
また、上記気相成長装置において、上記原料ガス室には、その内壁面と所定の間隔をおいて開口付壁が設置されていることが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、原料ガス供給源から供給された原料ガスを、開口付壁に形成された開口を通じて原料ガス室の奥に供給するので、ガスの均一化を図ることができる。
【００３５】
さらに、上記気相成長装置において、上記原料ガス室の内壁面及び上記開口付壁は環状になって、両者の間に環状流路が形成され、当該環状流路に対して複数の上記原料ガス導入口が均等に形成されていることが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、ガス導入口により、原料ガスを、環状の原料ガス室の外周から、水平方向に均等に原料ガス室の奥まで供給することができる。
また、上記気相成長装置は、上記原料ガス整流室の下流に設置され上記原料ガスが供給されるガス混合部と、当該ガス混合部に上記原料ガスとは異なる種類のガスを吐出する吐出手段とをさらに備えることが好ましい。
【００３７】
上記構成によれば、複数種のガスをガス混合部で充分に混合してから成長室へ供給し、基板上に均一に製膜することができる。
【００３８】
なお、上記吐出手段におけるガス混合部側の端部（ガスの供給管）は、ガス混合部に供給される原料ガスの流れ方向に沿った形状に形成されることが好ましい。これによれば、吐出手段の存在により、原料ガスの流れが乱される虞を抑制可能となる。また、ガス混合部に供されるガス（原料ガス、及び原料ガスとは異なる種類のガス）の流れが同方向に揃うため、ガスの流れがより乱れにくくなる。
【００３９】
また、上記気相成長装置において、上記内周領域と外周領域において、上記ガス混合部から吐出されるガスの流速分布の差が、５％以内に制御されることが好ましい。
【００４０】
例えば気相成長装置をＬＥＤの製造に用いる場合、当該ＬＥＤの発光バラツキを抑えるために、基板上に製膜される膜の膜厚分布が３％以内であることが望ましい。上記構成によれば、ガス混合部へ供給されるガスの流速分布を５％以内に制御して、基板上に製膜される膜の膜厚分布を３％以内に制御できるようにする。
【００４１】
また、上記気相成長装置において、上記仕切り板に形成された開口が、上記原料ガス整流室を経たガスを通過させる開口より狭いことが好ましい。
【００４２】
上記構成によれば、原料ガスをガス混合部に均一に供給することができる。
【００４３】
さらに、上記気相成長装置において、上記ガス混合部を外部から冷却する水冷部をさらに備えることが好ましい。
【００４４】
上記構成によれば、ガス混合部及び原料ガス室の降温が必要な箇所を冷却することができる。
【００４５】
また、本発明に係るガス吐出装置は、側壁面のガス導入口からガスが導入されるガス室を備えるガス吐出装置であって、上記ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、ガス整流室及び当該ガス整流室を経たガスを吐出するガス吐出口が設けられていることを特徴とする。
【００４６】
また、上記構成によれば、上記ガス室の内部を複数の領域に分割でき、ガス流れ方向の最下流層における、隔壁により分割された領域ごとで、各ガス吐出口の直前に設けられたガス整流室を通してガスを吐出するので、各ガス吐出口からのガス量を均等し、ガス流速を均一化することができる。即ち、各ガス吐出口から実質的に均等にガス吐出が可能なガス吐出装置を提供することができる。
【００４７】
このように、本発明に係るガス吐出装置は、上記気相成長装置だけではなく、ガスを利用して所定の処理を行う装置において、ガスの均等な吐出が必要な装置であればすべて適用できる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、基板の口径サイズ、基板の搭載位置あるいは搭載枚数に関係なく、所望の範囲に原料ガスを均一に吐出することができる。また、隔壁にて区切られた領域ごとに原料ガスの均一化、及び流量制御を行うことが可能となっているため、装置の持つプロセスウインドウを大幅に向上させることができ、より高度な成長技術を得ることができる。
【００４９】
また、ガスの流速、濃度を、被処理基板面内、或いは基板間の膜厚の変動に対して領域ごとに制御することが可能であるため、結晶性に優れた品質の高い結晶成長を実現して、安定した膜厚・膜質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部構造を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。
【図３】図１に示したシャワーヘッドの上面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッド内の開口付壁の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部で仕切り板及び隔壁のみを示した模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における外周ゾーンを拡大して示した図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部でのガス流れを示した図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンと外周ゾーンとの流量を同じく調整した場合のシミュレーション結果である。
【図９】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流速分布を示した模式図であり、（ａ）は上側ガス室でのガス流速分布を示した図であり、（ｂ）は内周ゾーンでの整流室の内部の流速分布を示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流量が外周ゾーンの流量より少なくなるように調整した場合のシミュレーション結果である。
【図１１】本発明の実施の形態に係るシャワーヘッドの内部における内周ゾーンの流量が外周ゾーンの流量より多くなるように調整した場合のシミュレーション結果である。
【図１２】従来技術におけるシャワーヘッドの内部構成を示す平面図である。
【図１３】従来技術における気相成長装置のガス室での反応ガスの流速分布を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置の構成を示す概略図である。特に、図面では、２種類（第１ガス、第２ガス）の原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ装置の構成例が示している。
【００５３】
このＭＯＣＶＤ装置は、中空部である成長室１１を有する反応炉１と、底面にシャワープレート２３を持つシャワーヘッド２と、シャワーヘッド２に原料ガス（反応ガス）を供給するガス供給装置３と、シャワーヘッド２の水冷部２４に冷却水を供給する水冷装置４と、成長室１１からのガス排出部に接続されたパージライン５と、パージライン５を通って導入される排ガスを処理する排ガス処理装置６とを備えている。
【００５４】
反応炉１は、原料ガスを供給して基板の被処理面に結晶を成長させるための容器であり、その内部には、回転軸１２、回転軸１２を取り囲むようにして設置された被覆板（ヒータカバー）１３、回転軸１２の一端に備え付けられた支持台１４、支持台１４上に設置されたヒータ１５、ヒータ１５上に設置されたサセプタ１６などが設けられている。なお、成長室１１の外周におけるガス流れ方向の下流位置には、排ガスを排出するためのガス排出部（符号なし）が形成されている。
【００５５】
シャワーヘッド２は、反応炉１詳しくは成長室１１の上方に設置されて、シャワーヘッド２の原料ガスの流れ方向の下流に位置しているシャワープレート２３から、成長室１１に原料ガスを提供する。また、シャワープレート２３上の部分に、シャワーヘッド２の内部の温度を下げる水冷部２４を設置する。
【００５６】
なお、本実施形態のＭＯＣＶＤ装置は、原料ガスをシャワーヘッド２の側面から導入する構成を有している。このため、上部空間に制限がなくなることによりシャワーヘッド２の上部にさまざまな機構や空間を設けることが可能となる。
【００５７】
シャワーヘッド２において、シャワープレート２３は反応炉１内のサセプタ１６と向かい合うようにして設置され、基板（被処理基板）７はシャワープレート２３と向かい合うようにサセプタ１６上に設置され、シャワーヘッド２から原料ガスが供給されると、所望の膜が基板７上に製膜される。また、反応炉１における回転軸１２は、図示しないアクチュエータなどによって回転自在とされており、回転軸１２の回転によりサセプタ１６（基板７）の上面が、対向するシャワープレート２３と平行な状態を保ちながら回転する。気相成長方法により基板７上に製膜する技術は、公知のことであるので、その説明は省略する。
【００５８】
さらに、シャワーヘッド２の内部には、図１，５に示すように、複数の積層方向に区画する仕切り板２６（上側仕切り板２６１、下側仕切り板２６２）と、積層垂直方向にガスの流れを分割する隔壁２７とが設けられている。仕切り板２６により、シャワーヘッド２の内部空間には、第１ガスの上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１が形成され、隔壁２７により、シャワーヘッド２のガス室が内周ゾーンＡと外周ゾーンＢに分けられる。もちろん、本実施の形態では、二つの仕切り板及び一つの隔壁を設置した例を説明するが、本発明において、シャワーヘッド２に設置される仕切り板の数に対しては、必要に応じて適宜設定でき、特に限定がない。なお、シャワーヘッド２の詳細な内部構造については、後述する。
【００５９】
次に、本実施の形態に係るＭＯＣＶＤ装置のガス供給装置３について説明する。このＭＯＣＶＤ装置は２種類の原料ガスが供給される。仕切り板２６（２６１、２６２）により区画された積層構造に応じて、第１ガスの供給源として、第１ガス上側供給源３０と第１ガス下側供給源３１とに分けて設置し、第２ガスの供給源として第２ガス供給源３２を設置している。
【００６０】
また、第１ガス上側供給源３０、第１ガス下側供給源３１には、第１ガスをシャワーヘッド２の第１ガス導入口（第１ガス上側導入口２０、第１ガス下側導入口２１；図１を参照）に導入するために、それぞれ第１ガス配管（第１ガス上側配管３０１、第１ガス下側配管３１１）が接続されている。さらに、第１ガス上側供給源３０及び第１ガス下側供給源３１には、供給するガスの量を調節できる手段として、それぞれ第１上側マスフローコントローラ（原料ガス導入量調節部）３０２、第１下側マスフローコントローラ（原料ガス導入量調節部）３１２が設置されている。ここで、第１ガス上側供給源３０及び第１ガス下側供給源３１は、２系統の第１ガス上側配管３０１、第１ガス下側配管３１１を介して、それぞれシャワーヘッド２の第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１第１ガス導入口に接続されている。
【００６１】
同様に、第２ガス供給源３２には、第２ガスをシャワーヘッド２の第２ガス導入口２２（図１を参照）に導入するために、第２ガス配管３２１が接続されており、第２ガス供給源３２から供給するガスの量を調節できる手段として、第２マスフローコントローラ３２２が接続されている。ここで、第２ガス供給源３２は、第２ガス配管３２１を介して、シャワーヘッド２の第２ガス導入口２２に接続されている。
【００６２】
なお、マスフローコントローラ（３０２、３１２、３２２）は図示しない制御部によりシャワーヘッド２のガス導入口（２０、２１、２２）へのガス導入量を制御する。
【００６３】
さらに、このＭＯＣＶＤ装置は、水冷系配管４０を介して、シャワーヘッド２の水冷部２４に、冷却水を供給する水冷装置４と、成長室１１の内部のガスを外部に排出するためのガス排気部に接続されるパージライン５と、パージライン５に接続される排ガス処理装置６とを有している。これにより、成長室１１の内部に導入されたガスはガス排気部によって成長室１１の外部に排気され、排気されたガスはパージライン５を通って排ガス処理装置６に導入され、排ガス処理装置６において無害化される。
【００６４】
引き続いて、図面を参照して、シャワーヘッド２の詳細構造について具体的に説明する。
【００６５】
図１は、シャワーヘッド２の内部構造を示す構成図であり、図３は、本実施の形態に係るシャワーヘッド２の上面を示す概略平面図であり、図３のａ−ａ線断面図が図１となっている。また、図４は、シャワーヘッド２内の開口付壁２５の構成を示す斜視図であり、図５は、仕切り板２６及び隔壁２７の構造及び設置位置を模式的に示す図であり、図６は、シャワーヘッド２の外周ゾーンＢを拡大して示す図である。また、図７は、図１に示したシャワーヘッド２の内部でのガスの流れを示す図である。なお、分りやすくするため、図３では、図１よりも第２ガスパイプ２２０の本数を減らした様子が示されている。
【００６６】
本実施の形態の係るシャワーヘッド２は、図３に示す通り環状であり、第１ガスはシャワーヘッド２の外周面にある４カ所の第１ガス導入口（２０・２１）から供給される。すなわち、図１に示すように、シャワーヘッド２は、その上流の外周部に、第１ガス上側供給源３０と接続する第１ガス上側導入口２０と、第１ガス下側供給源３１と接続する第１ガス下側導入口２１とが形成されている。ここで、第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１は、シャワーヘッド２の外周面から内部に延伸して形成されている。本実施の形態において、４対の第１ガス導入口（２０・２１）は、ガス供給の均一性を保つため、環状に形成されたシャワーヘッド２の直交する直径の両端にそれぞれ形成されている。また、第１ガス導入口（２０、２１）、それぞれの導入口に対応する第１ガスパイプ（第１ガス上側パイプ２００、第１ガス下側パイプ２１０）が貫通されており、当該第１ガスパイプ（２００、２１０）は、一端がそれぞれ対応する第１ガス配管（３０１、３１１）と接続し、他の一端がシャワーヘッド２の内部まで延伸されている。
【００６７】
同様に、シャワーヘッド２は、その頂部に、第２ガス供給源３２と接続する第２ガス導入口２２が形成されている。当該第２ガス導入口２２は、第２ガスの進入方向がシャワーヘッド２へ供給される第１ガスの進入方向と垂直になるように、シャワーヘッド２上の反応炉１に対向している面の反対側の面から内部に延伸して形成されており、第２ガスパイプ２２０は、一端が第２ガス配管３２１と接続し、他の一端がシャワーヘッド２の下半部に位置しているガス混合部まで延伸されている。
【００６８】
以下、説明を理解しやすくするため、第１ガスパイプ（２００、２１０）の第１ガス配管（３０１、３１１）と接続する端部をそれぞれ第１ガス上側導入口２０及び第１ガス下側導入口２１とし、第２ガスパイプ２２０の第２ガス配管３２１と接続する端部を第２ガス導入口２２とする。なお、第１ガスパイプ（２００、２１０）及び／或いは第２ガスパイプ２２０を設置せずに、第１ガス配管（３０１、３１１）及び／或いは第２ガス配管３２１を直接所定の位置まで延伸して設置することも可能である。
【００６９】
また、シャワーヘッド２の内部には、内壁面と所定の位置を離れて、開口付壁２５が設置され、図４に示すように、開口付壁２５には複数の開口２５０、２５１が形成されている。第１ガスパイプ（２００、２１０）を経たガスは開口付壁２５の開口２５０、２５１を通って、第１ガスの上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１に供給される。なお、第１ガスの具体的な流れについては後述する。
【００７０】
また、上記のように、シャワーヘッド２には、図５に示すように、その内部を複数の積層方向に区画する仕切り板２６（２６１、２６２）と、積層方向に対して垂直な方向にガスの流れを分割する隔壁２７とが設けられている。
【００７１】
詳しくは、まず、二つの仕切り板２６（２６１、２６２）を設置して、シャワーヘッド２のガス室を積層方向に垂直な方向に区画する。上側仕切り板２６１は、第１ガス導入口（２０、２１）から供給される第１ガスが上下に分けられるように、第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１との間の位置に設けられている。ここで、上側仕切り板２６１の上に形成される空間を第１ガスの上側ガス室２０１とする。また、円筒状の隔壁２７を設置し、図１に示すように、上側仕切り板２６１の下に形成された空間が、シャワーヘッド２の中央部を含む内周ゾーンＡと内周ゾーンＡを囲むように形成された外周ゾーンＢに分けられるように、一端が上側仕切り板２６１の底面にそれと垂直に設置され、他の一端が最下層のガス室の底部まで延伸して設置されている。このとき、隔壁２７の設置位置に対応して、下側仕切り板２６２の中心部を隔壁２７が貫通可能に開口させる。
【００７２】
ここで、下側仕切り板２６２を設置することで、上側仕切り板２６１の下の空間がさらに第１ガスの下側ガス室２１１と当該下側ガス室２１１の下側における外周整流室２１２とに区画される。また、上側仕切り板２６１の底面と隔壁２７の内周面とにより囲まれた空間を内周整流室２７２とする。ここで、外周整流室２１２及び内周整流室２７２は、それぞれ対応する原料ガス室の同数以上設けることもできる。例えば、各ゾーンでの一つの原料ガス室の下に一つ以上の整流室を設けることができ、二つ以上の整流室を設けるときは、各整流室を径の異なるドーナツ状かつ同心状に配置することができる。
【００７３】
なお、シャワーヘッド２の内壁面と開口付壁２５との間に形成された空間をガス流路とし、上下側の仕切り板（２６１、２６２）に対応して、第１ガスの上側ガス流路２０１’、第１ガスの下側ガス流路２１１’とする。
【００７４】
このように、本実施の形態では、上側仕切り板２６１の下に形成された空間に隔壁２７を設置した構成を用いたが、隔壁２７による各ゾーンへのガスの供給が可能である構成であれば、積層方向に区画された各層を隔壁２７にて分割することも可能である。
【００７５】
ここで、仕切り板２６の構成について詳細に説明する。
【００７６】
例えば、仕切り板２６は、ガス室を積層方向に区画できる平板であればよい。また、第２ガスパイプ２２０が通過するための貫通孔を形成する。
【００７７】
本実施の形態において、第１ガスの上側ガス室２０１における第１ガスの実質的に全部を内周整流室２７２に流すことがより好ましいので、上側仕切り板２６１において、第２ガスパイプ２２０が通過する部分と、内周整流室２７２の上部に対応する部分以外は、開口を形成しないことが好ましい。
【００７８】
つまり、内周整流室２７２の上部に対応する上側仕切り板２６１の部分に形成される開口としては、第１ガスが通過可能であれば特に限定されない。または、第２ガスパイプ２２０を通過させるための貫通孔を、第２ガスパイプ２２０の外径より大きく形成してなる隙間２６１’（図６を参照）によって、第１ガスを通過させる。また、上記のように、下側仕切り板２６２には、ほぼ内周整流室２７２の外径の大きさに該当する開口を形成する。
【００７９】
なお、第１ガスの上側ガス室２０１から内周整流室２７２へのガス流量をより多く流す場合は、上側仕切り板２６１のように、第２ガスパイプ２２０を通過させる貫通孔の以外に、第１ガスの下側ガス室２１１から外周整流室２１２にガスを通過させる孔（ガス通過孔）をさらに形成してもよい。この場合、ガスの均等な通過を実現するため、第２ガスパイプ２２０と当該第２ガスパイプ２２０を通過させる貫通孔との間の隙間２６１’（図６を参照）と、上記ガス通過孔とが同等の面積になるよう形成することが好ましい場合がある。
【００８０】
また、シャワーヘッド２の下半部にはガス混合部がある。ガス混合部は、外周整流室２１２及び内周整流室２７２からの第１ガスが流れ込む第３ガスパイプ２８を備え、第３ガスパイプ２８内のガス流れ方向の上部には、第２ガスを供給する第２ガスパイプ２２０が挿入されているので、第１ガスと第２ガスとは、第３ガスパイプ２８内のガス流れ方向の下部におけるガス混合ゾーン２８０で混合される。ここで、第３ガスパイプ２８は、第２ガスパイプ２２０と一対一に対応して設置され、図３に示すように格子状に配置されている。図面では、一部の第３ガスパイプ２８のみが示されている。
【００８１】
なお、シャワーヘッド２のガス流れ方向の最終端において、第３ガスパイプ２８の数及び設置位置に合わせて形成された構成をシャワープレート２３と見なしてもよい。
【００８２】
また、図１の外周ゾーンＢの一部を拡大して示した図６のように、第２ガスパイプ２２０は、上側ガス室２０１、下側ガス室２１１、内周整流室２７２、外周整流室２１２を貫通している。また、第２ガスパイプ２２０は上側仕切り板２６１及び下側仕切り板２６２も貫通している。各仕切り板を貫通させるため、第２ガスパイプ５８よりもわずかに大きな貫通孔が仕切り板に形成され、上側仕切り板２６１には隙間２６１’、下側仕切り板２６２には隙間２６２’が形成されている。ここで、各仕切り板上の貫通孔は、第２ガスパイプ２２０に対応して格子状に配置され、周方向０度を基準に水平及び垂直に配列されているため、周方向４５度のピッチは、周方向０度のピッチよりルート２倍となっている（図３を参照）。
【００８３】
本実施の形態では、外径φ２．５ｍｍの第２ガスパイプ２２０を貫通させるために、各仕切り板に内径φ３ｍｍの貫通孔を開き、さらに当該第２ガスパイプ２２０の中心と貫通孔の中心とを一致させている。このため各仕切り板と第２ガスパイプ２２０との間には０．２５ｍｍの隙間がある。各仕切り板の貫通孔は、上側ガス室２０１と内周整流室２７２を仕切る仕切り板２６１に設けられた貫通孔の隙間２６１’及び下側ガス室２１１と外周整流室２１２を仕切る仕切り板２６２に設けられた貫通孔の隙間２６２’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことが望ましい。この構成を取ることにより、第１ガスが均等にガス混合ゾーン２８０へ供給できる。
【００８４】
なお、ガス混合部のガス混合ゾーン２８０の周辺には水冷部２４が設けられている。水冷部２４は、冷却水流入口２４１、冷却水流出口２４２と、冷却水を流すための冷却水流路２４０とにより構成されている。つまり、水冷装置４からの冷却水は、水冷系配管４１を介して冷却水流入口２４１から水冷部２４の内部に入り、冷却水流路２４０を経て冷却水流出口２４２から外に排出される。第１ガス及び第２ガスが混合される時の温度を下げるためには、第３ガスパイプの外周の少なくとも一部が囲まれるように冷却水流路２４０を形成するのが好ましい。
【００８５】
以上のように、シャワーヘッド２は側面から第１ガスが供給され、上面から第２ガスが供給されるようになっている。また、シャワーヘッド２の内部は内周ゾーンＡと外周ゾーンＢに分かれており、内周ゾーンＡ、外周ゾーンＢには各々独立した供給手段から第１ガスが供給され、独立して第１ガスの供給量が制御できるようになっている。これは、上述したように第１ガスであるＴＭＧなどの第３族ガスの供給量は半導体の膜厚とリニアな関係があるため、製膜ゾーン内の中央部である内周ゾーンと端部である外周ゾーンとで分けて制御することにより、形成される半導体の膜厚をエリアで制御するためである。このようにすれば、第３族・第５族のガスを両方制御する必要がなく第３族だけ制御すれば半導体の膜厚を制御することができるため装置の複雑化・大型化をさけることができ効果的である。
【００８６】
次に、シャワーヘッド２の内部でガス室、ガス整流室を構成する仕切り板及び隔壁の設置方式について説明する。
【００８７】
本発明に適応される仕切り板２６（２６１、２６２）及び隔壁２７については、上側ガス室２０１、内周整流室２７２、下側ガス室２１１、外周整流室２１２が、それぞれ独立構造となっている。特に、図５に示す隔壁２７の端部Ｃの以外においては、溶接や削りだしなどの加工方法にて原料ガスの流入等は無い。
【００８８】
しかし、端部Ｃに関しては、封止用の部材を別途設ける場合を除き、完全な封止構造を形成しない。これは、下側ガス室２１１において、隔壁２７の端部Ｃから第２ガスが内周整流室２７２に漏れることを防止するためだけではなく、仕切り板２６及び隔壁２７が、容易にシャワーヘッド２の本体から取り外しを行える構成としているためでもある。仕切り板２６及び隔壁２７が、容易に分解取り外しを行えることにより、例えば内部の仕切り板２６や隔壁２７部分を取り替えるだけで、ガス室や整流室の分割領域、各ガス室の高さ等を自由に変更することが可能となる。
【００８９】
例えば、従来の構造では溶接による一体構造など、内部の分解には非常に困難を要するものであったが、本発明のシャワーヘッドの２内部構造はその課題を解決することができる。更には上記したように、端部Ｃ、上側ガス流路外周部２０１”、下側ガス流路外周部２１１”についても、例えば必要に応じてゴム体等の弾性体、あるいはバネ様の形状を持った封止ができる構成部材を配置することにより、端部Ｃ、上側ガス流路外周部２０１”、下側ガス流路外周部２１１”の各部を確実に封止可能である。本実施の形成においては、ゴム体のＯリングを配置できる構成とし、端部Ｃ、その他の部分についても完全に独立構造としている。
【００９０】
ここで、例えば、仕切り板２６（２６１、２６２）及び隔壁２７を、それぞれ独立して原料ガス室（上側ガス室２０１と下側ガス室２１１）に設置した場合は、必要に応じて、上記のように、仕切り板２６と隔壁２７との接続部分及び仕切り板２６と原料ガス室の内壁との接続部分及び隔壁２７と原料ガス室の内壁との接続部分に、上記のような封止部材を配置してガスの漏れなどを防止する。特に、上記端部Ｃと、その反対側の上側仕切り板２６１と隔壁２７との接続部分にゴム体のＯリングなどを配置して、下側ガス室２１１または外周整流室２１２内のガスが内周整流室２７２に入ることを防止する。この構成では、仕切り板２６及び隔壁２７が原料ガス室とそれぞれ独立して設置されたので、容易に分解取り外し及び内部の分解を行うことが可能である。
【００９１】
または、例えば、仕切り板２６（２６１、２６２）と隔壁２７とを一体型に形成した場合は、上記端部Ｃにゴム体のＯリングなどを配置して、外周整流室２１２内のガスが内周整流室２７２に入ることを防止する。この構成では、仕切り板２６と隔壁２７とが原料ガス室と一体構造になっていなので、容易に分解取り外しを行うことが可能である。
【００９２】
このように、隔壁２７及び仕切り板２６の構造が互いに独立に交換可能である構成を取るため、基板７のサイズ変更や基板７の配置を変更する場合においても、原料ガス室の全体構造を交換する必要がなく、コスト的、また作業時間の大幅短縮が可能となる。
【００９３】
もちろん、本発明は、本実施の形態において記載の構造に限定されず、仕切り板を用いて二つ以上の空間を形成するという過程で形状は限定されない。
【００９４】
次に、図７に基づいて、シャワーヘッド２の内部での実際のガス流れについて説明する。
【００９５】
上述したように、第１ガスは、第１ガス導入口（２０、２１）を通り、第１ガスパイプ（２００、２１０）を経て、ガス流路（２０１’、２１１’）で分散され、図４に示す開口付壁２５に設けられた複数の開口２５０、２５１を通って、第１ガス室（２０１、２１１）へ供給されるようになっている。
【００９６】
より詳しくは、図７に示すように、まず外周ゾーンＢにおいて、第１ガスは、第１ガス下側導入口２１から流入され、下側ガス流路２１１’及び開口付壁２５を通って下側ガス流路２１１’に供給され、その下にある外周整流室２１２で整流されて、第３ガスパイプ２８よりガス混合ゾーン２８０へ供給されることとなる。
【００９７】
このように、環状の開口付壁２５は、壁面に設けられた複数の開口２５０、２５１から第１ガスを供給することにより、第１ガスの下側ガス室２１１へのガス供給の均一化に寄与する。このとき、第１ガス下側導入口２１から近い部分に設けられた開口の間隔より、遠い部分（例えば図３のｂ−ｂ線近傍）の開口の間隔を狭くすることにより、より均一化を図ることができる。また、下側ガス室２１１と外周整流室２１２を仕切る仕切り板２６２に設けられた貫通孔の隙間２６２’から外周整流室２１２へ原料ガスを流入させるることにより、供給された第１ガスがゆっくりと外周整流室２１２に充満され、ガス流量速度が流入側と反対側とで揃うことになり第１ガスが整流される。さらに、隙間２６２’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことにより、第１ガスが十分に整流され、均等に第３ガスパイプ２８からガス混合ゾーン２８０へ供給されることになる。
【００９８】
また、第２ガスは第２ガスパイプ２２０よりガス混合ゾーン２８０へ供給される。このようにガスを供給することにより、均一な反応ガスの供給が可能となる。例えば、第１ガスとしてＴＭＡ、第２ガスとしてアンモニアを用いた場合、ガス混合ゾーン２８０で窒化アルミニウムとなり、基板７（図２を参照）上に半導体として窒化アルミニウムを均一に製膜することができる。複数枚の基板を置いた場合であっても、各基板間で均一化が図れ、ＬＥＤの品質向上に寄与する。
【００９９】
次に、内周ゾーンＡにおいて、第１ガスは、第１ガス上側導入口２０から流入され、上側ガス流路２０１’及び開口付壁２５を通って上側ガス室２０１に供給され、内周ゾーンＡの内周整流室２７２で整流されて、第３ガスパイプ２８よりガス混合ゾーン２８０へ供給されることとなる。
【０１００】
このように上側ガス室２０１と内周整流室２７２を仕切る仕切り板２６１に設けられた貫通孔の隙間２６１’から内周整流室２７２へ原料ガスを流入させることにより、供給された第１ガスがゆっくりと内周整流室２７２に充満され、ガス流量速度が流入側と反対側とで揃うことになり第１ガスが整流される。このとき、隙間２６１’が、第２ガスパイプ２２０と第３ガスパイプ２８との間の隙間より狭いことにより、第１ガスが十分に整流され均等に第３ガスパイプ２８からガス混合ゾーン２８０へ供給されることになる。同じく、第２ガスは第２ガスパイプ２２０よりガス混合ゾーン２８０へ供給される。このようにガスを供給することにより、外周ゾーンＢと同様に均一な反応ガスの供給が可能となる。
【０１０１】
このとき、上側仕切り板２６１においては、第２ガスパイプ２２０を貫通させる貫通孔が存在する為、上側ガス室２０１と下側ガス室２１１との間はわずかに第１ガスが相互に混じることになる。しかし、各ガス室に送られるガスの量と比較すればわずかであり、また内周整流室２７２と外周整流室２１２は隔壁２７により相互に干渉されることがなく、ガス混合ゾーン２８０、基板７に到達する際は、完全に内周ゾーンＡと外周ゾーンＢとが互いに独立に制御されるものとなっている。
【０１０２】
ここで、内周ゾーンＡと外周ゾーンＢとのガス流速分布の差が５％以内であることが好ましい。これは、ＬＥＤの発光バラツキを抑えるために、基板上に製膜される膜の膜厚分布が３％以内であることが望まれるが、それを確実に満たすためには、ガス混合ゾーン２８０へ供給されるガスの流速分布が５％以内であることが望まれるからである。このとき、第１ガスのコントロールが重要であることは上述した通りである。
【０１０３】
実際の第１ガスのシミュレーション結果を図８に示す。計算精度を向上させる為、周方向０度及び４５度方向の２方向の結果を示している。周方向０度方向は、図３のａ−ａ線方向であり、周方向４５度は、周方向０度に対して４５度のライン方向であるｂ−ｂ線方向である。上述したように、ガスパイプ２２０、２８は格子状に配置され、周方向０度を基準に水平・垂直に配列されているため、周方向４５度のガスパイプ２２０、２８のピッチは、周方向０度のピッチよりルート２倍となっている。なお、周方向４５を選定したのはガス導入口からもっとも遠いからである。
【０１０４】
本実施の形態において、シミュレーションに用いるシャワーヘッド２の各部寸法は以下の通りである。まず、上側ガス流路２０１’の高さは５ｍｍ、上側ガス室２０１の高さは１０ｍｍ、その下にある内周整流室２７２の高さを１５ｍｍと規定した。また内周ゾーンＡの外径は直径１５０ｍｍと規定している。
【０１０５】
一方、外周部分の設計上の各寸法を下側ガス流路２１１’の高さは５ｍｍ、下側ガス室２１１の高さは１０ｍｍ、その下にある外周整流室２１２の高さを５ｍｍと規定した。このときの外周ゾーンＢの範囲は直径の内周１５０ｍｍから外周５８０ｍｍである。このガス室の大きさは、例えば４インチ基板を１９枚搭載した場合の必要サイズである。
【０１０６】
このとき、原料ガスは第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１から同時に投入し、流量比はそれぞれ１：３とした。このときの総流量は４００ＳＬＭで、成長室１１の内部の圧力は４００Ｔｏｒｒとしている。
【０１０７】
本シミュレーションの結果、流速分布は、内周ゾーンＡが０．３１％のバラツキ、外周ゾーンＢが４．８７％のバラツキとなり、全体では４．８５％のバラツキという結果になった。この結果は、上述した膜厚制御が可能な好ましいものである。
【０１０８】
一例として、図９に上側ガス室２０１と内周整流室２７２の内部における平面流速分布のシミュレーション結果を示す。
【０１０９】
図９（ａ）は、第１ガス上側導入口２０から第１ガスが供給された状態の上側ガス室２０１内部の流速分布を示す図である。状態をみると、第１ガス上側導入口２０の近傍では、原料ガスが円環状リングから供給された流速分布が傾向として残っている（Ｄ部）。この状態で、基板に第１ガスを供給すると、ガス導入口に近い側のガス流量が多くなり、基板上に形成される膜厚が不均一となってしまう。
【０１１０】
一方、図９（ｂ）に内周整流室２７２内部の流速分布が示されている。上側ガス室２０１から内周整流室２７２へ第１ガスが供給された状態の内周整流室２７２の内部流速分布をみると、上側ガス室２０１の上記Ｄ部の不均一分布が内周整流室２７２に入ることにより消えており、内部が均一な状態の流速分布であることがわかる。この状態でガス混合ゾーン２８０に第１ガスを供給することにより、基板７上には流速分布が均等な反応したガスが供給されることになる。これにより、内周ゾーンにおいて均一膜厚で且つ高品質な膜質を持つ膜を成長させることが可能となる。
【０１１１】
この効果は、外周ゾーンでのガスの流速分布にも同じ効果がある。
外周ゾーンでは、下側ガス室２１１から外周整流室２１２を経由させて成長室にガスを供給することで、内周整流室２７２を経由した場合と同じ効果が得られる。すなわち、下側ガス室２１１のガスが外周整流室２１２にはいることによりガス流速の不均一分布が消え、均一な状態の流速分布になる。これにより、外周ゾーンにおいても均一膜厚で且つ高品質な膜質を持つ膜を成長させることが可能となる。
【０１１２】
さらに、本発明では、上側ガス室２０１及び下側ガス室２１１に供給されるガスの量を独立して制御するので、それぞれに対応する内周ゾーンと外周ゾーンとが均一なガス流量を有するように簡単に制御できる。
【０１１３】
これに比べ、例えば、上記特許文献３のように、成長室周囲に環状のガス排出部を設置し、ガス排出部に均等配置した排気孔を介して原料ガスを排出する場合の成長室でのガス流量シミュレーション結果は、図１３に示すとおりである。すなわち、図１３に示すように、成長室の中心部から外周部に沿って原料ガスの流速が大きくなり、中心部と外周部とで均一な気相成長を実現することが困難である。
【０１１４】
一方、上記課題のところでも述べたが、基板の大口径化、基板の搭載枚数の増加に伴いＭＯＣＶＤ装置が大型化し、それに伴いシャワー孔領域も大きくなる傾向にある。シャワー方式のＭＯＣＶＤ装置においては、そのシャワー孔領域が大きくなるにつれ、例えば、内周ゾーンＡに供給されたガスが全て気相反応するとは限らず、寄与しなかったガスが外周ゾーンＢへ排気される際に外周ゾーンＢで気相反応に寄与してしまい、膜厚分布に影響してしまうという懸念がある。これは特に大型装置になればなるほど傾向は顕著となる。
【０１１５】
これらの問題を回避するために、内周ゾーンＡと外周ゾーンＢで流速（流量）を制御し、基板全体からみて膜厚分布が均等になるように制御を行う。ガスの種類や条件によって、内周ゾーンＡから外周ゾーンＢに向かうもの（外周排気）、外周ゾーンＢから内周ゾーンＡに向かうもの（中心排気）があるが、本発明のシャワーヘッド２をＭＯＣＶＤ装置に搭載することにより、どのような構成のガスの流れでも均等に、且つ容易に流速分布を作り出すことが可能となる。
【０１１６】
以下、このような様々な条件によっても本発明が有効であることをシミュレーションによって示す。
【０１１７】
図１０にガス流速の関係が、外周ゾーンＢのガス流量が内周ゾーンＡよりも多い場合のシミュレーション結果を示す。このときの流量条件は、第１ガス上側導入口２０に１００ＳＬＭ、第１ガス下側導入口２１に７００ＳＬＭの流量とした。これは本実施の形態で構成される装置が備える排ガス処理装置（除害装置）６の処理能力が８００ＳＬＭである為に、供給する原料ガスの総流量が８００ＳＬＭを超えないよう比率分配で規定している。
【０１１８】
結果としては、第１ガス上側導入口２０と第１ガス下側導入口２１との流量を上記流量に調整することにより、各ゾーンでの流速分布バラツキはそれぞれ５％以内を達成することができた。
【０１１９】
図１１は、図１０とは逆に内周ゾーンＡのガス流量が外周ゾーンＢよりも多い場合のシミュレーション結果である。このときの流量条件は、第１ガス上側導入口２０に８００ＳＬＭ、第１ガス下側導入口２１に０ＳＬＭの流量と規定した。この時の流量に対する規定は上記と同等である。
【０１２０】
結果は、［内周ゾーンＡ＜外周ゾーンＢ］の分布の実現も可能となった。
【０１２１】
流量投入量の規定については本発明に限定されるものではなく、排ガス処理装置（除害装置）６の能力や流すガス種においても限定されるものではない。
【０１２２】
これらの結果から、本発明におけるシャワーヘッド孔から吐出される制御可能な流速条件は［内周ゾーンＡ＜外周ゾーンＢ］と、［内周ゾーンＡ＝外周ゾーンＢ］と、［内周ゾーンＡ＞外周ゾーンＢ］との、どのような分布も自由に作り出すことができ、且つ流速分布の均一性５％以下を達成することが可能となるため、非常に制御性の優れた、且つ流速分布の均一性が高いシャワーヘッド２の提供が可能となった。
【０１２３】
なお、上記実施形態の説明では、ガス室を上下側に２層形成した場合を説明したが、ガス室内部に積層方向に仕切り板を追加して３層以上形成する場合も上記と同じ効果が得られる。
【０１２４】
例えば、ガス室を３層（上側ガス室、中間ガス室、下側ガス室）形成した場合の仕切り板、隔壁の設置形式を説明すると下記の通りである。
【０１２５】
ガス室の内部を３層に分割するには、仕切り板により分割されるガス室の最下層に整流室を形成する場合は、３つの仕切り板を設置することもできるし、整流室をガス室の底部に単独に設置する場合は、２つの仕切り板を設置することもできる。
【０１２６】
上記実施形態と比べ、ガス室の内部が３層に分割される構成に対しては、円筒状の隔壁を１個追加することで、最下層のガス室を積層方向に垂直な方向に内周ゾーン、外周ゾーン及び内周ゾーンと外周ゾーン部との間に形成される中間周ゾーンに区画することができる。
【０１２７】
この場合、１つの円筒状の隔壁（１）は、上記実施形態における隔壁２７と同じように設置すればよい。すなわち、一端を上側ガス室と中間ガス室とを仕切る仕切り板の底面にそれと垂直に設置し、他端を最下層のガス室の底部まで延伸して設置する。これにより、最下層のガス室は、内周ゾーン及び外周ゾーンに区画される。そして、他の１つの円筒状の隔壁（２）は、上記１つの隔壁（１）を囲むように同心状に設置し、一端を中間ガス室と下側ガス室とを仕切る仕切り板の底面にそれと垂直に設置し、他端を最下層のガス室の底部まで延伸して設置する。これにより、最下層のガス室において、上記外周ゾーンはさらに中間周ゾーン及び外周ゾーンに区画される。
【０１２８】
したがって、上記の構成により、上中下側のガス室へのガス流速をそれぞれ制御することで、内周ゾーン、中間周ゾーン及び外周ゾーンでのガス供給の均一化を図ることができる。
【０１２９】
もちろん、ガス室の内部を４層またはそれ以上に区画した場合も同様である。
【０１３０】
以上のように、側面部から原料ガスを導入する構造において、シャワー孔領域全範囲での、原料ガス流速分布・濃度分布の均一化、更には内周部・外周部といったそれぞれのゾーンでの原料ガス流速分布の均一化、また、それぞれのゾーン別に原料ガスの流速面内分布を均一化した状態で流速制御を可能とする構成を取ることにより、基板表面反応の制御性を向上させることが可能となるＭＯＣＶＤ装置を提供する。
【０１３１】
以下、本発明で用いるガス種について、第３〜第５族半導体を基に簡単に説明する。第１ガスの構成元素としては、たとえば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはＩｎ（インジウム）などがあり、第１ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの第３族の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。また、第２ガスの構成元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、第２ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ3）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの第５族の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１３２】
これらのガスを、それぞれ第１ガス供給源３０・３１、第２ガス供給源３２から供給することにより、ＬＥＤなどに用いる第３〜第５族半導体を製膜することができる。ここで、第３〜第５族半導体の膜厚は第３族ガス、例えばＴＭＡ供給量の増加に伴って厚くなり、膜厚とＴＭＡ供給量にはリニアな関係があるため、第３族ガスの流速分布の均一化が特に重要である。
【０１３３】
また、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉１、シャワーヘッド２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。
【０１３４】
また、本発明に係るガス吐出装置は、上記ＭＯＣＶＤ装置だけではなく、ガスを利用して所定の処理を行う装置において、ガスの均等な吐出が必要な装置であればすべて適用できる。
【０１３５】
本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明は、複数種類のガスを必要とする気相成長装置のガス供給手段に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１ 反応炉
１１ 成長室
１２ 回転軸
１３ 被覆板
１４ 支持台
１５ ヒータ
１６ サセプタ
２ シャワーヘッド
２０ 第１ガス上側導入口（第１ガス導入口）
２１ 第１ガス下側導入口（第１ガス導入口）
２００ 第１ガス上側パイプ（第１ガスパイプ）
２１０ 第１ガス下側パイプ（第１ガスパイプ）
２０１ 上側ガス室（原料ガス室）
２０１’ 上側ガス流路（第１ガス流路、環状流路）
２１１ 下側ガス室（原料ガス室）
２１１’ 下側ガス流路（第１ガス流路、環状流路）
２１２ 外周整流室（原料ガス整流室）
２２ 第２ガス導入口
２２０ 第２ガスパイプ
２３ シャワープレート
２４ 水冷部
２４０ 冷却水流路
２４１ 冷却水流入口
２４２ 冷却水流出口
２５ 開口付壁
２６１ 上側仕切り板（仕切り板）
２６２ 下側仕切り板（仕切り板）
２７ 隔壁
２７２ 内周整流室（原料ガス整流室）
２８ 第３ガスパイプ
２８０ ガス混合ゾーン
３ ガス供給装置
４ 水冷装置
５ パージライン
６ 排ガス処理装置
７ 基板（被処理基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁面の原料ガス導入口から原料ガスが導入される原料ガス室と、成長室とを備え、上記原料ガス室から上記成長室に原料ガスを供給して、上記成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置であって、
上記原料ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つ原料ガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端が原料ガス室の最下流層の端部まで延伸されて、原料ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、
上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、原料ガス整流室及び当該原料ガス整流室を経た原料ガスを上記成長室に吐出する原料ガス吐出口が設けられていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
上記隔壁は、着脱可能に設置されてい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】
上記隔壁により分割された領域ごとに原料ガス導入量調節部が設けられ、当該原料ガス導入量調節部により、上記領域ごとから上記成長室に供給される原料ガスの導入量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
上記原料ガス整流室は、上記原料ガス室の下流に位置し、当該原料ガス室と同数以上設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
上記隔壁により分割される上記原料ガス室の上記最下流層は、上記被処理基板に対して内周から外周への周方向で複数領域に分割されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
上記原料ガス室には、その内壁面と所定の間隔をおいて開口付壁が設置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
上記原料ガス室の内壁面及び上記開口付壁は環状になって、両者の間に環状流路が形成され、当該環状流路に対して複数の上記原料ガス導入口が均等に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の気相成長装置。
【請求項８】
上記原料ガス整流室の下流に設置され上記原料ガスが供給されるガス混合部と、当該ガス混合部に上記原料ガスとは異なる種類のガスを吐出する吐出手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項９】
上記内周領域と外周領域において、上記ガス混合部から吐出されるガスの流速分布の差が、５％以内に制御されることを特徴とする請求項８に記載の気相成長装置。
【請求項１０】
上記仕切り板に形成された開口が、上記原料ガス整流室を経たガスを通過させる開口より狭いことを特徴とする請求項８または９に記載の気相成長装置。
【請求項１１】
上記ガス混合部を外部から冷却する水冷部をさらに備えることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項１２】
側壁面のガス導入口からガスが導入されるガス室を備えるガス吐出装置であって、
上記ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、
上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、ガス整流室及び当該ガス整流室を経たガスを吐出するガス吐出口が設けられていることを特徴とするガス吐出装置。
【請求項１】
側壁面の原料ガス導入口から原料ガスが導入される原料ガス室と、成長室とを備え、上記原料ガス室から上記成長室に原料ガスを供給して、上記成長室内の被処理基板に気相成長を行う気相成長装置であって、
上記原料ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つ原料ガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端が原料ガス室の最下流層の端部まで延伸されて、原料ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、
上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、原料ガス整流室及び当該原料ガス整流室を経た原料ガスを上記成長室に吐出する原料ガス吐出口が設けられていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
上記隔壁は、着脱可能に設置されてい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】
上記隔壁により分割された領域ごとに原料ガス導入量調節部が設けられ、当該原料ガス導入量調節部により、上記領域ごとから上記成長室に供給される原料ガスの導入量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
上記原料ガス整流室は、上記原料ガス室の下流に位置し、当該原料ガス室と同数以上設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
上記隔壁により分割される上記原料ガス室の上記最下流層は、上記被処理基板に対して内周から外周への周方向で複数領域に分割されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
上記原料ガス室には、その内壁面と所定の間隔をおいて開口付壁が設置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
上記原料ガス室の内壁面及び上記開口付壁は環状になって、両者の間に環状流路が形成され、当該環状流路に対して複数の上記原料ガス導入口が均等に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の気相成長装置。
【請求項８】
上記原料ガス整流室の下流に設置され上記原料ガスが供給されるガス混合部と、当該ガス混合部に上記原料ガスとは異なる種類のガスを吐出する吐出手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項９】
上記内周領域と外周領域において、上記ガス混合部から吐出されるガスの流速分布の差が、５％以内に制御されることを特徴とする請求項８に記載の気相成長装置。
【請求項１０】
上記仕切り板に形成された開口が、上記原料ガス整流室を経たガスを通過させる開口より狭いことを特徴とする請求項８または９に記載の気相成長装置。
【請求項１１】
上記ガス混合部を外部から冷却する水冷部をさらに備えることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の気相成長装置。
【請求項１２】
側壁面のガス導入口からガスが導入されるガス室を備えるガス吐出装置であって、
上記ガス室の内部には、当該内部を積層方向に複数に区画し且つガスが通過可能な開口が形成された１つ以上の仕切り板と、各仕切り板に対して、一端が当該仕切り板の上記開口を含む底面に取り付けられ且つ他端がガス室の最下流層の端部まで延伸されて、ガスの流れを上記積層方向に垂直な方向に分割する隔壁とが設けられ、
上記隔壁により分割された上記最下流層の領域ごとに、ガス整流室及び当該ガス整流室を経たガスを吐出するガス吐出口が設けられていることを特徴とするガス吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−９７５２（Ｐ２０１２−９７５２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４６３１２（Ｐ２０１０−１４６３１２）
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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