気相成長装置、気相成長方法、および半導体素子の製造方法
【課題】気相成長中のシャワープレートの平坦面への反応生成物の付着量を減少させる気相成長装置を提供する。
【解決手段】反応炉内に導入された材料ガスを用いて基板に成膜処理を施す気相成長装置は、シャワーヘッドおよびシャワープレート２０を反応炉内に備える。シャワープレート２０は、反応炉内において基板に対向する平坦面２１と、平坦面２１から貫通形成された複数のプレート孔２２とを含む。平坦面２１上における複数のプレート孔２２同士の間には、複数の凹部２３が形成されている。
【解決手段】反応炉内に導入された材料ガスを用いて基板に成膜処理を施す気相成長装置は、シャワーヘッドおよびシャワープレート２０を反応炉内に備える。シャワープレート２０は、反応炉内において基板に対向する平坦面２１と、平坦面２１から貫通形成された複数のプレート孔２２とを含む。平坦面２１上における複数のプレート孔２２同士の間には、複数の凹部２３が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置、気相成長方法、および半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、半導体レーザ、または太陽電池等の製造方法として、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が知られる。ＭＯＣＶＤ装置は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相蒸着法）を使用する。ＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置を使用する生産現場においては、被成膜基板（以下、基板ともいう）に対する成膜品質が重視される。成膜品質は、製品の歩留まりに関係する。気相成長装置の稼働率を高めつつ、効率的に安定した歩留まりを長期間維持することが重視されている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ装置は、横型ＭＯＣＶＤ装置および縦型ＭＯＣＶＤ装置に大別される。横型ＭＯＣＶＤ装置においては、基板に対して水平方向に材料ガスが導入される。縦型ＭＯＣＶＤ装置においては、基板に対して垂直方向に材料ガスが導入される。縦型ＭＯＣＶＤには、シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置が含まれる。
【０００４】
（気相成長装置２００）
図１４〜図１６を参照して、一般的なシャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である気相成長装置２００について説明する。図１４は、シャワープレート２２０を備えた気相成長装置２００を模式的に示す断面図である。図１５は、シャワープレート２２０を示す底面図である。図１６は、シャワープレート２２０の一部を拡大して示す断面図である。
【０００５】
図１４を参照して、気相成長装置２００においては、反応炉２０１の外部で、トレイ２４０の上に複数の基板２３０が載置される。基板２３０を載置したトレイ２４０は、トレイ搬送手段（図示せず）によって成長室２０２内に搬送された後、サセプタ２４２上に載置される。ヒータ２４４は、サセプタ２４２およびトレイ２４０を通して基板２３０を加熱する。サセプタ２４２に取り付けられた回転軸２４６は、回転手段２４８から動力を受けて矢印ＡＲ２４６方向に回転する。トレイ２４０が同方向に回転することによって、基板２３０はトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転する。
【０００６】
基板２３０がトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転している状態で、成長室２０２には材料ガス（図示せず）が導入される。材料ガスは、２種類のガスとして、材料ガス源２５４Ａから流量制御手段２５２Ａおよびガス導入ライン２５０Ａを順次通過した一のガスと、材料ガス源２５４Ｂから流量制御手段２５２Ｂおよびガス導入ライン２５０Ｂを順次通過した（一のガスとは異なる）他のガスとを含む。
【０００７】
材料ガスは、シャワーヘッド２１０に設けられた複数のガス吐出口（図示せず）を通過する。シャワーヘッド２１０の下方には、シャワーヘッド２１０に対向するようにシャワープレート２２０が配置される。シャワープレート２２０には、基板２３０に対向する平坦面２２１が形成されている。
【０００８】
図１５および図１６を参照して、材料ガスは、シャワーヘッド２１０（図１４参照）における複数のガス吐出口（図示せず）を通過した後、シャワープレート２２０に設けられた複数のプレート孔２２２を通過する（図１６中の矢印ＡＲ２５６参照）。材料ガスは、各プレート孔２２２の平坦面２２１上における開口端２２２Ｍから基板２３０（図１４参照）に向かって吹き出される。
【０００９】
図１４を再び参照して、基板２３０がトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転している状態で、材料ガスはシャワープレート２２０の中央側から半径方向外側に向かって流れる。材料ガスが流れる過程で、ヒータ２４４に加熱された基板２３０上で気相化学反応が促進される。当該気相化学反応によって、基板２３０上に薄膜（図示せず）が形成される。
【００１０】
シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である気相成長装置２００においては、材料ガスが面内に均一に導入される。基板２３０上を流れる材料ガスの流速分布のバラツキが低減され、基板２３０上に高い品質を有する薄膜が形成される。成膜処理後の材料ガスは、真空ポンプ２６２の吸引によって成長室２０２からガス排気ライン２６０へと排出され、排ガス処理装置２６４において無害化される。
【００１１】
図１７を参照して、ここで、気相成長装置２００（図１４参照）においては、気相成長時に材料ガスから反応生成物２７０が生成される。反応生成物２７０は、シャワープレート２２０の平坦面２２１（図１５も参照）上に付着しやすい。シャワープレート２２０は、本来的には、シャワーヘッド２１０（図１４参照）の面内およびガス吐出口の周辺部に反応生成物２７０が付着すること防止するために設けられる。反応生成物２７０のシャワープレート２２０への付着量は少ない方が好ましい。
【００１２】
特開２０００−２３５９５４号公報（特許文献１）は、プラズマを用いて半導体基板を処理する半導体処理装置において、ガス吹き出し板への反応生成物の付着および堆積を防止する発明を開示している。同公報が開示する発明においては、ガス吹き出し板に設けられたガス孔の直径が、流入側から噴出側に向かって次第に拡大している。同公報は、ガス孔の内側をプラズマにさらされやすくすることによって、ガス孔の内側に付着した反応生成物がプラズマによって除去され、結果的にガス孔への反応生成物の付着量を少なくすることができると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２３５９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特開２０００−２３５９５４号公報（特許文献１）が開示する半導体処理装置においては、プラズマの発生によるエッチングを利用して反応生成物が除去される。同公報が開示する発明を実施するためには、基板に対する処理方式および処理目的に関わらず、反応生成物の近傍にプラズマを発生させる手段が必須となっている。同公報が開示する発明は、処理工程にプラズマの発生を伴う場合には適用可能であるが、プラズマの発生を意図していない装置および処理方法に適用されることは有効ではない。
【００１５】
また、プラズマの発生量（強度分布）を広範囲にわたって均一に制御することは困難である。プラズマの発生量によって反応生成物の除去量にばらつきが生じた結果、反応生成物は局所的に残留および堆積する。プラズマ処理を繰り返すことによって、反応生成物はツララ状に成長する。反応生成物は、材料ガスの流れを乱したり、材料ガスの風圧によって剥がれ落ちたりする。反応生成物が基板上に落下すると成膜品質が低下する。メンテナンスを頻繁に実施することでこれらの不具合は解消されるが、生産性が低下するだけでなく、人件費等の増大も招く。
【００１６】
本発明は、上記のような実情に鑑みて為されたものであって、気相成長中のシャワープレートの平坦面への反応生成物の付着量を減少させることが可能な気相成長装置、その気相成長装置を使用する気相成長方法、およびその気相成長装置を使用する半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に基づく気相成長装置は、反応炉内に導入された材料ガスを用いて被成膜基板に成膜処理を施す気相成長装置であって、上記反応炉内に設けられ、複数のガス吐出口を含むシャワーヘッドと、上記反応炉内において上記被成膜基板に対向する平坦面、および複数の上記ガス吐出口のそれぞれに対応するように上記平坦面から貫通形成された複数のプレート孔を含むシャワープレートと、を備え、上記平坦面上における複数の上記プレート孔同士の間には、上記平坦面上に開口端を有する複数の凹部が形成されている。
【００１８】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端の形状は、円形、楕円形、方形、または多角形である。
【００１９】
好ましくは、複数の上記凹部の上記平坦面からの最大深さＤと、複数の凹部の上記平坦面上における上記開口端の最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立している。
【００２０】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の底面側の形状は、球面状に形成されている。
【００２１】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端は、上記平坦面上において相互に接している。
【００２２】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端の形状は、球面状に形成されている。
【００２３】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、上記平坦面上における複数の上記プレート孔の開口端の形状は、球面状に形成されている。
【００２４】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、上記凹部の内表面および／または上記平坦面は、鏡面状に形成されている。
【００２５】
本発明に基づく気相成長方法は、本発明に基づく上記の気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む。
【００２６】
本発明に基づく半導体素子の製造方法は、本発明に基づく上記の気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、気相成長中のシャワープレートの平坦面への反応生成物の付着量を減少させることが可能な気相成長装置、その気相成長装置を使用する気相成長方法、およびその気相成長装置を使用する半導体素子の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態における気相成長装置を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態における気相成長装置のシャワーヘッドおよびシャワープレート等を部分的に示す断面図である。
【図３】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートを示す底面図である。
【図４】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図５】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートの底面（平坦面）の一部を拡大して示す斜視図である。
【図６】実施の形態における気相成長装置、気相成長方法、または半導体素子の形成方法によって形成される半導体素子を示す断面図である。
【図７】実施の形態における気相成長装置の、気相成長時におけるシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図８】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図９】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１０】実施の形態の第１変形例における気相成長装置の他の例に係るシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１１】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のさらに他の例に係るシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１２】実施の形態の第２変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図１３】実施の形態の第２変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部の底面（平坦面）の一部を拡大して示す斜視図である。
【図１４】一般的な気相成長装置を模式的に示す断面図である。
【図１５】一般的な気相成長装置のシャワープレートを示す底面図である。
【図１６】一般的な気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図１７】一般的な気相成長装置の、気相成長時におけるシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に基づいた各実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。各実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。各実施の形態の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００３０】
（気相成長装置１００の構成）
図１を参照して、実施の形態における気相成長装置１００の構成について説明する。図１は、シャワープレート２０を備えた気相成長装置１００を模式的に示す断面図である。
【００３１】
気相成長装置１００は、シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である。気相成長装置１００は、反応炉１、成長室２、シャワーヘッド１０、シャワープレート２０、複数の基板３０を載置するトレイ４０、サセプタ４２、ヒータ４４、回転軸４６、回転手段４８、ガス導入ライン５０Ａ，５０Ｂ、流量制御手段５２Ａ，５２Ｂ、材料ガス源５４Ａ，５４Ｂ、ガス排気ライン６０、真空ポンプ６２、および排ガス処理装置６４を備えている。
【００３２】
反応炉１内に、成長室２が形成される。ガス導入ライン５０Ａ，５０Ｂは、成長室２にそれぞれ接続される。成長室２は、ガス導入ライン５０Ａおよび流量制御手段５２Ａを通して材料ガス源５４Ａに連通している。成長室２は、ガス導入ライン５０Ｂおよび流量制御手段５２Ｂを通して材料ガス源５４Ｂに連通している。
【００３３】
シャワーヘッド１０は、成長室２の最上部に設置される。シャワーヘッド１０の下方には、シャワーヘッド１０に対向するようにシャワープレート２０が配置される。シャワープレート２０には、基板３０（被成膜基板）に対向する平坦面２１が形成されている。シャワーヘッド１０およびシャワープレート２０の詳細については、図２〜図５を参照して後述する。
【００３４】
成長室２の下部中央に、回転軸４６が設けられる。回転軸４６は、アクチュエータを含む回転手段４８上に立設される。回転軸４６の上端には、サセプタ４２が水平に支持されている。
【００３５】
サセプタ４２上に、トレイ４０が載置される。反応炉１の外部で、トレイ４０の上に複数の基板３０が載置される。基板３０を載置したトレイ４０は、トレイ搬送手段（図示せず）によって成長室２内に搬送された後、サセプタ４２上に載置される。サセプタ４２に取り付けられた回転軸４６は、回転手段４８からの動力を受けて矢印ＡＲ４６方向に回転する。基板３０は、トレイ４０上において回転軸４６周りに回転する。ヒータ４４は、サセプタ４２およびトレイ４０を通して基板３０を加熱する。
【００３６】
基板３０がトレイ４０上において回転軸４６周りに回転している状態で、成長室２には材料ガス（図示せず）が導入される。材料ガスは、２種類のガスとして、材料ガス源５４Ａから流量制御手段５２Ａおよびガス導入ライン５０Ａを順次通過した一のガスと、材料ガス源５４Ｂから流量制御手段５２Ｂおよびガス導入ライン５０Ｂを順次通過した（一のガスとは異なる）他のガスとを含む。材料ガス源５４Ａからの当該一のガスの流量は、流量制御手段５２Ａによって調節される。流量制御手段５２Ｂからの当該他のガスの流量は、流量制御手段５２Ｂによって調節される。
【００３７】
（シャワーヘッド１０・シャワープレート２０）
図２〜図５を参照して、実施の形態におけるシャワーヘッド１０およびシャワープレート２０の詳細について説明する。図２は、気相成長装置１００におけるシャワーヘッド１０およびシャワープレート２０等を部分的に示す断面図である。図３は、シャワープレート２０を示す底面図である。図４は、シャワープレート２０の一部を拡大して示す断面図である。図５は、シャワープレート２０の底面（平坦面２１）の一部を拡大して示す斜視図である。
【００３８】
図２を参照して、上述のとおり、シャワーヘッド１０は、成長室２（図１参照）の最上部に設置される。シャワーヘッド１０の下方には、シャワーヘッド１０に対向するようにシャワープレート２０が配置される。シャワープレート２０には、基板３０に対向する平坦面２１が形成される。
【００３９】
シャワーヘッド１０においては、ガス導入ライン５０Ａに連通するガス導入管１１と、ガス導入ライン５０Ｂに連通するガス導入管１３と、冷却水導入ライン８０（図１において図示せず）に連通する冷却水導入管１５とが、順に上方から下方に向かって層状に並んで配設される。ガス導入管１１、ガス導入管１３、および冷却水導入管１５は、シャワーヘッド１０を面方向（紙面左右方向）に貫通している。
【００４０】
ガス導入管１１には、下方に向かって複数の分岐管１２が突設される。ガス導入管１３には、下方に向かって複数の分岐管１４が突設される。分岐管１２および分岐管１４は同軸上に位置し、分岐管１４は分岐管１２の外側に配置される。分岐管１２および分岐管１４は、いわゆる２重配管構造を呈している。分岐管１２および分岐管１４の開口端同士は、シャワーヘッド１０におけるガス吐出口１６の近傍で合流している。
【００４１】
シャワープレート２０には、上述のとおり複数のプレート孔２２が設けられる。各プレート孔２２は、直管状を呈している。各プレート孔２２の上方側の開口端２２Ｎは、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６に対向している。各プレート孔２２の下方側の開口端２２Ｍは、シャワープレート２０の平坦面２１上に位置している。各プレート孔２２同士の間隔は、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６同士の間隔と同一である。各プレート孔２２および各ガス吐出口１６は、それぞれが一対一で対応している。
【００４２】
図３〜図５を参照して、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間には、複数の凹部２３が形成されている。各凹部２３は、平坦面２１上に開口端２３Ｍを有している。図４に示すように、本実施の形態における各凹部２３は、平坦面２１からたとえば円柱状に凹むように切削加工等によって形成される。
【００４３】
また、各凹部２３の内表面は、電界研磨加工等によって鏡面状に形成されているとよい。平坦面２１も、電界研磨加工等によって鏡面状に形成されているとよい。
【００４４】
各凹部２３の平坦面２１からの最大深さＤと、各凹部２３の平坦面２１上における開口端２３Ｍの最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立しているとよい。たとえば、各凹部２３が平坦面２１から円柱状に凹むように形成される場合、各凹部２３における最大開口幅Ｗ（開口端２３Ｍの直径）と最大深さＤとの間には、Ｄ／Ｗ（アスペクト比）＞１の関係が成立しているとよい。
【００４５】
各凹部２３の平坦面２１上における開口端２３Ｍの形状としては、上記の場合に限られず、円形、楕円形、方形、および多角形のいずれであってもよい。各凹部２３同士の間隔は、可能な限り小さく設計されるとよい。気相成長装置１００は、以上のように構成される。
【００４６】
（気相成長装置１００を使用した気相成長方法）
図１を再び参照して、本実施の形態における半導体素子の製造方法として、上記のように構成される気相成長装置１００を使用した気相成長方法について説明する。
【００４７】
シャワーヘッド１０に接続されたガス導入ライン５０Ａから、一のガス（実線で示される矢印ＡＲ５０Ａ参照）が、ガス導入管１１内に導入される。当該一のガスは、たとえば、アンモニアガス、ホスフィンガス、またはアルシンガス等の水素化合物ガスからなるＶ族ガスである。当該一のガスは、ガス導入管１１内において面方向に広がる。当該一のガスは、ガス導入管１１から下方に向かって複数突設された分岐管１２の内部を、シャワープレート２０に向かって流れる。
【００４８】
一方、シャワーヘッド１０に接続されたガス導入ライン５０Ｂから、他のガス（点線で示される矢印ＡＲ５０Ｂ参照）が、ガス導入管１３内に導入される。当該他のガスは、たとえば、トリメチルガリウムまたはトリメチルアルミニウム等の有機金属ガスからなるＩＩＩ族ガスである。当該他のガスは、ガス導入管１３内において面方向に広がる。当該他のガスは、ガス導入管１３から下方に向かって複数突設された分岐管１４の内部を、シャワープレート２０に向かって流れる。
【００４９】
上記の一のガス（Ｖ族ガス）および他のガス（ＩＩＩ族ガス）は、ガス吐出口１６の近傍で混合され、材料ガスとしてガス吐出口１６から排出される。本実施の形態においては、冷却水導入ライン８０から所定の冷媒（たとえば冷水）が冷却水導入管１５に導入される（一点鎖線で示される矢印ＡＲ８０参照）。冷媒は、冷却水導入管１５内において面方向に広がる。ガス吐出口１６の近傍（冷却水導入管１５）を流れる上記の材料ガスは、所定の温度に冷却された状態で、ガス吐出口１６から排出される。
【００５０】
上記の材料ガスは、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６から排出された後、シャワープレート２０における各開口端２２Ｎから各プレート孔２２の内部に入り込む。図１，図２および図４に示すように、材料ガスは、各プレート孔２２を通過した後（白抜きで示される矢印ＡＲ５６参照）、各プレート孔２２の平坦面２１上における各開口端２２Ｍから吹き出される。
【００５１】
基板３０がトレイ４０上において回転軸４６（図１参照）周りに回転している状態で、材料ガスは基板３０に対してシャワー状に吹き付けられる。材料ガスは、基板３０の上方を、シャワープレート２０の中央側から半径方向外側に向かって流れる。材料ガスが流れる過程で、ヒータ４４（図１参照）に加熱された基板３０上で材料ガスが分解され、気相化学反応が促進される。
【００５２】
図６を参照して、当該気相化学反応によって基板３０上に薄膜３２が形成される。上記の動作を繰り返すことによって、基板３０上に所定の構造を有する半導体素子３４が形成される。図１を再び参照して、成膜処理後の材料ガスは、真空ポンプ６２の吸引によって成長室２からガス排気ライン６０へと排出され、排ガス処理装置６４において無害化される。
【００５３】
（作用・効果）
図７を参照して、上述のとおり、気相化学反応時における材料ガスは、シャワープレート２０の中央側から半径方向外側に向かって平坦面２１に沿うように流れる（たとえば矢印ＡＲ５８参照）。平坦面２１上の各プレート孔２２同士の間の部分（開口端２２Ｍ同士の間の部分）は、材料ガスの流れの澱みが発生しやすく反応生成物７０が付着する。
【００５４】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、シャワープレート２０の平坦面２１に複数の凹部２３が形成されている。平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が減少している。
【００５５】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が少ない。冒頭に説明した特許文献１（特開２０００−２３５９５４号公報）に開示の発明とは異なり、プラズマを発生させる手段を用いることなく、気相成長装置１００においては平坦面２１に付着する反応生成物７０の量が減少している。
【００５６】
特に、各凹部２３における最大開口幅Ｗと最大深さＤとの間に、Ｄ／Ｗ＞１が成立しているとする（図４参照）。この場合、凹部２３の開口端２３Ｍの近傍においては、各凹部２３の深さ方向に対する材料ガスのコンダクタンスが小さくなる。つまり、材料ガスが各凹部２３に入り込もうとする際の抵抗が大きくなる（材料ガスは各凹部２３に入り込み難くなる）。
【００５７】
ここで、たとえば孔や配管の中を流体が流れようとした場合に、孔や配管の内壁面付近には流体に対する大きな抵抗が発生する。内壁面からの離れるほど当該抵抗は小さくなる。配管の中央部付近の方が内壁面側よりも抵抗が小さくなり、また、抵抗は流体の流れる方向の距離に比例して増加する。このため、凹部２３については、凹部２３の幅（開口端２３Ｍの最大開口幅Ｗ）が大きくなると内部に入り込もうとする流体の抵抗は小さくなり、凹部２３の長さ（凹部２３の最大深さＤ）が大きくなると、内部に入り込もうとする流体の抵抗は大きくなる。
【００５８】
各凹部２３における最大開口幅Ｗと最大深さＤとの間に、Ｄ／Ｗ＞１が成立している場合には、特に、開口端２３Ｍの近傍では、材料ガスが凹部２３に侵入することはほとんどなくなる。シャワープレート２０の平坦面２１への反応生成物７０の付着は、大幅に抑制される。
【００５９】
また、各凹部２３の内表面が鏡面状に形成されている場合、および平坦面２１が鏡面状に形成されている場合も、各凹部２３と付着物の粒子（材料ガス）との摩擦抵抗および平坦面２１と付着物の粒子（材料ガス）との摩擦抵抗が小さくなることによって、シャワープレート２０の平坦面２１への反応生成物７０の付着は大幅に抑制される。
【００６０】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、反応生成物７０は、平坦面２１への付着量が極めて少ないため、材料ガスの流れを乱したり、材料ガスの風圧によって剥がれ落ちたりすることもほとんどない。反応生成物７０が基板３０（図１参照）に落下して成膜品質等が低下することもない。
【００６１】
気相成長装置１００によれば、基板３０に対して材料ガスが安定して供給されることによって、基板３０上に形成される薄膜（図６における薄膜３２）の面内分布が均一となり、高品質な成膜処理を実現することが可能となる。気相成長装置１００によれば、シャワープレートの洗浄サイクルを延ばし、稼働率を高めながら、効率的に安定した歩留まりを長期間維持しつづけることが可能となる。
【００６２】
［実施の形態の第１変形例］
図８および図９を参照して、上述の実施の形態に係る気相成長装置の第１変形例について説明する。ここでは、上述の実施の形態との相違点について説明する。
【００６３】
図８および図９に示すように、本変形例に係るシャワープレート２０Ａにおいては、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間に、複数の凹部２３Ａが形成される。各凹部２３Ａは、平坦面２１から半球状（ディンプル状）に凹むように形成される。各凹部２３Ａは、たとえば、平坦面２１に対するエンボス加工または板金加工等によって形成されることができる。
【００６４】
また、各凹部２３Ａの内表面は、電界研磨加工などによって鏡面状に形成されているとよい。本実施の形態における各凹部２３Ａは、一つ一つが全体として半球状を呈している。各凹部２３Ａの一つ一つの底面側の形状のみが部分的に球面状に形成され、他の開口端２３Ｍ側の部分はたとえば円柱状に形成されていてもよい。
【００６５】
本実施の形態における凹部２３Ａのように、その直径が開口端２３Ｍから上方に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成される場合、各凹部２３Ａの開口端２３Ｍ同士は相互に接しているとよい。
【００６６】
ここでいう開口端２３Ｍ同士が相互に接しているとは、開口端２３Ｍ同士が点で接触している場合、および開口端２３Ｍ同士が線で接触している場合を含む。開口端２３Ｍ同士が点で接触している場合とは、図１０におけるシャワープレート２０Ａ１に示すように、隣り合う開口端２３Ｍ同士が所定の１点で外接している状態である。開口端２３Ｍ同士が線で接触している場合とは、図１１におけるシャワープレート２０Ａ２に示すように、隣り合う開口端２３Ｍ同士が所定の長さに形成される線状の外縁を共有している状態である。当該構成によれば、各凹部２３Ａ同士の間隔が小さくなり、平坦面２１の面積をより一層減少させることが可能となる。
【００６７】
本変形例に係る気相成長装置も、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が小さい。シャワープレート２０Ａ（およびシャワープレート２０Ａ１，２０Ａ２）の平坦面２１への反応生成物７０（図７参照）の付着が大幅に抑制され、上述の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【００６８】
［実施の形態の第２変形例］
図１２および図１３を参照して、上述の実施の形態に係る気相成長装置の第２変形例について説明する。ここでは、上述の実施の形態との相違点について説明する。
【００６９】
図１２および図１３に示すように、本変形例に係るシャワープレート２０Ｂにおいては、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間に、複数の凹部２３Ｂが形成される。各凹部２３Ｂの平坦面２１上における開口端２３Ｍには、切削加工等によって球面状（Ｒ面取り状）の球面部２３Ｒが形成されている。各凹部２３Ｂおよび各球面部２３Ｒは、上述の実施の形態と同様に鏡面状に形成されるとよい。
【００７０】
複数の各プレート孔２２の平坦面２１上における開口端２２Ｍに、エンボス加工または板金加工等によって球面状（Ｒ面取り状）の球面部２２Ｒが形成されていてもよい。平坦面２１および各球面部２２Ｒは、上述の実施の形態および第１変形例と同様に鏡面状に形成されるとよい。
【００７１】
本変形例に係る気相成長装置も、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が少ない。シャワープレート２０Ｂの平坦面２１への反応生成物７０（図７参照）の付着が大幅に抑制され、上述の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【００７２】
以上、本発明に基づいた実施の形態および各実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および各実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７３】
１，２０１ 反応炉、２，２０２ 成長室、１０，２１０ シャワーヘッド、１１，１３ ガス導入管、１２，１４ 分岐管、１５ 冷却水導入管、１６ ガス吐出口、７０，２７０ 反応生成物、２０，２０Ａ，２０Ａ１，２０Ａ２，２０Ｂ，２２０ シャワープレート、２１，２２１ 平坦面、２２，２２２ プレート孔、２２Ｍ，２２Ｎ，２３Ｍ，２２２Ｍ 開口端、２２Ｒ，２３Ｒ 球面部、２３，２３Ａ，２３Ｂ 凹部、３０，２３０ 基板、３２ 薄膜、３４ 半導体素子、４０，２４０ トレイ、４２，２４２ サセプタ、４４，２４４ ヒータ、４６，２４６ 回転軸、４８，２４８ 回転手段、５０Ａ，５０Ｂ，２５０Ａ，２５０Ｂ ガス導入ライン、５２Ａ，５２Ｂ，２５２Ａ，２５２Ｂ 流量制御手段、５４Ａ，５４Ｂ，２５４Ａ，２５４Ｂ 材料ガス源、６０，２６０ ガス排気ライン、６２，２６２ 真空ポンプ、６４，２６４ 排ガス処理装置、８０ 冷却水導入ライン、１００，２００ 気相成長装置、ＡＲ４６，ＡＲ５０Ａ，ＡＲ５０Ｂ，ＡＲ５６，ＡＲ５８，ＡＲ８０，ＡＲ２４６，ＡＲ２５６ 矢印、Ｄ 最大深さ、Ｗ 最大開口幅。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置、気相成長方法、および半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、半導体レーザ、または太陽電池等の製造方法として、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が知られる。ＭＯＣＶＤ装置は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相蒸着法）を使用する。ＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置を使用する生産現場においては、被成膜基板（以下、基板ともいう）に対する成膜品質が重視される。成膜品質は、製品の歩留まりに関係する。気相成長装置の稼働率を高めつつ、効率的に安定した歩留まりを長期間維持することが重視されている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ装置は、横型ＭＯＣＶＤ装置および縦型ＭＯＣＶＤ装置に大別される。横型ＭＯＣＶＤ装置においては、基板に対して水平方向に材料ガスが導入される。縦型ＭＯＣＶＤ装置においては、基板に対して垂直方向に材料ガスが導入される。縦型ＭＯＣＶＤには、シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置が含まれる。
【０００４】
（気相成長装置２００）
図１４〜図１６を参照して、一般的なシャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である気相成長装置２００について説明する。図１４は、シャワープレート２２０を備えた気相成長装置２００を模式的に示す断面図である。図１５は、シャワープレート２２０を示す底面図である。図１６は、シャワープレート２２０の一部を拡大して示す断面図である。
【０００５】
図１４を参照して、気相成長装置２００においては、反応炉２０１の外部で、トレイ２４０の上に複数の基板２３０が載置される。基板２３０を載置したトレイ２４０は、トレイ搬送手段（図示せず）によって成長室２０２内に搬送された後、サセプタ２４２上に載置される。ヒータ２４４は、サセプタ２４２およびトレイ２４０を通して基板２３０を加熱する。サセプタ２４２に取り付けられた回転軸２４６は、回転手段２４８から動力を受けて矢印ＡＲ２４６方向に回転する。トレイ２４０が同方向に回転することによって、基板２３０はトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転する。
【０００６】
基板２３０がトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転している状態で、成長室２０２には材料ガス（図示せず）が導入される。材料ガスは、２種類のガスとして、材料ガス源２５４Ａから流量制御手段２５２Ａおよびガス導入ライン２５０Ａを順次通過した一のガスと、材料ガス源２５４Ｂから流量制御手段２５２Ｂおよびガス導入ライン２５０Ｂを順次通過した（一のガスとは異なる）他のガスとを含む。
【０００７】
材料ガスは、シャワーヘッド２１０に設けられた複数のガス吐出口（図示せず）を通過する。シャワーヘッド２１０の下方には、シャワーヘッド２１０に対向するようにシャワープレート２２０が配置される。シャワープレート２２０には、基板２３０に対向する平坦面２２１が形成されている。
【０００８】
図１５および図１６を参照して、材料ガスは、シャワーヘッド２１０（図１４参照）における複数のガス吐出口（図示せず）を通過した後、シャワープレート２２０に設けられた複数のプレート孔２２２を通過する（図１６中の矢印ＡＲ２５６参照）。材料ガスは、各プレート孔２２２の平坦面２２１上における開口端２２２Ｍから基板２３０（図１４参照）に向かって吹き出される。
【０００９】
図１４を再び参照して、基板２３０がトレイ２４０上において回転軸２４６周りに回転している状態で、材料ガスはシャワープレート２２０の中央側から半径方向外側に向かって流れる。材料ガスが流れる過程で、ヒータ２４４に加熱された基板２３０上で気相化学反応が促進される。当該気相化学反応によって、基板２３０上に薄膜（図示せず）が形成される。
【００１０】
シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である気相成長装置２００においては、材料ガスが面内に均一に導入される。基板２３０上を流れる材料ガスの流速分布のバラツキが低減され、基板２３０上に高い品質を有する薄膜が形成される。成膜処理後の材料ガスは、真空ポンプ２６２の吸引によって成長室２０２からガス排気ライン２６０へと排出され、排ガス処理装置２６４において無害化される。
【００１１】
図１７を参照して、ここで、気相成長装置２００（図１４参照）においては、気相成長時に材料ガスから反応生成物２７０が生成される。反応生成物２７０は、シャワープレート２２０の平坦面２２１（図１５も参照）上に付着しやすい。シャワープレート２２０は、本来的には、シャワーヘッド２１０（図１４参照）の面内およびガス吐出口の周辺部に反応生成物２７０が付着すること防止するために設けられる。反応生成物２７０のシャワープレート２２０への付着量は少ない方が好ましい。
【００１２】
特開２０００−２３５９５４号公報（特許文献１）は、プラズマを用いて半導体基板を処理する半導体処理装置において、ガス吹き出し板への反応生成物の付着および堆積を防止する発明を開示している。同公報が開示する発明においては、ガス吹き出し板に設けられたガス孔の直径が、流入側から噴出側に向かって次第に拡大している。同公報は、ガス孔の内側をプラズマにさらされやすくすることによって、ガス孔の内側に付着した反応生成物がプラズマによって除去され、結果的にガス孔への反応生成物の付着量を少なくすることができると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２３５９５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特開２０００−２３５９５４号公報（特許文献１）が開示する半導体処理装置においては、プラズマの発生によるエッチングを利用して反応生成物が除去される。同公報が開示する発明を実施するためには、基板に対する処理方式および処理目的に関わらず、反応生成物の近傍にプラズマを発生させる手段が必須となっている。同公報が開示する発明は、処理工程にプラズマの発生を伴う場合には適用可能であるが、プラズマの発生を意図していない装置および処理方法に適用されることは有効ではない。
【００１５】
また、プラズマの発生量（強度分布）を広範囲にわたって均一に制御することは困難である。プラズマの発生量によって反応生成物の除去量にばらつきが生じた結果、反応生成物は局所的に残留および堆積する。プラズマ処理を繰り返すことによって、反応生成物はツララ状に成長する。反応生成物は、材料ガスの流れを乱したり、材料ガスの風圧によって剥がれ落ちたりする。反応生成物が基板上に落下すると成膜品質が低下する。メンテナンスを頻繁に実施することでこれらの不具合は解消されるが、生産性が低下するだけでなく、人件費等の増大も招く。
【００１６】
本発明は、上記のような実情に鑑みて為されたものであって、気相成長中のシャワープレートの平坦面への反応生成物の付着量を減少させることが可能な気相成長装置、その気相成長装置を使用する気相成長方法、およびその気相成長装置を使用する半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に基づく気相成長装置は、反応炉内に導入された材料ガスを用いて被成膜基板に成膜処理を施す気相成長装置であって、上記反応炉内に設けられ、複数のガス吐出口を含むシャワーヘッドと、上記反応炉内において上記被成膜基板に対向する平坦面、および複数の上記ガス吐出口のそれぞれに対応するように上記平坦面から貫通形成された複数のプレート孔を含むシャワープレートと、を備え、上記平坦面上における複数の上記プレート孔同士の間には、上記平坦面上に開口端を有する複数の凹部が形成されている。
【００１８】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端の形状は、円形、楕円形、方形、または多角形である。
【００１９】
好ましくは、複数の上記凹部の上記平坦面からの最大深さＤと、複数の凹部の上記平坦面上における上記開口端の最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立している。
【００２０】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の底面側の形状は、球面状に形成されている。
【００２１】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端は、上記平坦面上において相互に接している。
【００２２】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、複数の上記凹部の上記開口端の形状は、球面状に形成されている。
【００２３】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、上記平坦面上における複数の上記プレート孔の開口端の形状は、球面状に形成されている。
【００２４】
好ましくは、本発明に基づく上記の気相成長装置においては、上記凹部の内表面および／または上記平坦面は、鏡面状に形成されている。
【００２５】
本発明に基づく気相成長方法は、本発明に基づく上記の気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む。
【００２６】
本発明に基づく半導体素子の製造方法は、本発明に基づく上記の気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、気相成長中のシャワープレートの平坦面への反応生成物の付着量を減少させることが可能な気相成長装置、その気相成長装置を使用する気相成長方法、およびその気相成長装置を使用する半導体素子の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態における気相成長装置を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態における気相成長装置のシャワーヘッドおよびシャワープレート等を部分的に示す断面図である。
【図３】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートを示す底面図である。
【図４】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図５】実施の形態における気相成長装置のシャワープレートの底面（平坦面）の一部を拡大して示す斜視図である。
【図６】実施の形態における気相成長装置、気相成長方法、または半導体素子の形成方法によって形成される半導体素子を示す断面図である。
【図７】実施の形態における気相成長装置の、気相成長時におけるシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図８】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図９】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１０】実施の形態の第１変形例における気相成長装置の他の例に係るシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１１】実施の形態の第１変形例における気相成長装置のさらに他の例に係るシャワープレートの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１２】実施の形態の第２変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図１３】実施の形態の第２変形例における気相成長装置のシャワープレートの一部の底面（平坦面）の一部を拡大して示す斜視図である。
【図１４】一般的な気相成長装置を模式的に示す断面図である。
【図１５】一般的な気相成長装置のシャワープレートを示す底面図である。
【図１６】一般的な気相成長装置のシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【図１７】一般的な気相成長装置の、気相成長時におけるシャワープレートの一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に基づいた各実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。各実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。各実施の形態の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００３０】
（気相成長装置１００の構成）
図１を参照して、実施の形態における気相成長装置１００の構成について説明する。図１は、シャワープレート２０を備えた気相成長装置１００を模式的に示す断面図である。
【００３１】
気相成長装置１００は、シャワー導入型の縦型ＭＯＣＶＤ装置である。気相成長装置１００は、反応炉１、成長室２、シャワーヘッド１０、シャワープレート２０、複数の基板３０を載置するトレイ４０、サセプタ４２、ヒータ４４、回転軸４６、回転手段４８、ガス導入ライン５０Ａ，５０Ｂ、流量制御手段５２Ａ，５２Ｂ、材料ガス源５４Ａ，５４Ｂ、ガス排気ライン６０、真空ポンプ６２、および排ガス処理装置６４を備えている。
【００３２】
反応炉１内に、成長室２が形成される。ガス導入ライン５０Ａ，５０Ｂは、成長室２にそれぞれ接続される。成長室２は、ガス導入ライン５０Ａおよび流量制御手段５２Ａを通して材料ガス源５４Ａに連通している。成長室２は、ガス導入ライン５０Ｂおよび流量制御手段５２Ｂを通して材料ガス源５４Ｂに連通している。
【００３３】
シャワーヘッド１０は、成長室２の最上部に設置される。シャワーヘッド１０の下方には、シャワーヘッド１０に対向するようにシャワープレート２０が配置される。シャワープレート２０には、基板３０（被成膜基板）に対向する平坦面２１が形成されている。シャワーヘッド１０およびシャワープレート２０の詳細については、図２〜図５を参照して後述する。
【００３４】
成長室２の下部中央に、回転軸４６が設けられる。回転軸４６は、アクチュエータを含む回転手段４８上に立設される。回転軸４６の上端には、サセプタ４２が水平に支持されている。
【００３５】
サセプタ４２上に、トレイ４０が載置される。反応炉１の外部で、トレイ４０の上に複数の基板３０が載置される。基板３０を載置したトレイ４０は、トレイ搬送手段（図示せず）によって成長室２内に搬送された後、サセプタ４２上に載置される。サセプタ４２に取り付けられた回転軸４６は、回転手段４８からの動力を受けて矢印ＡＲ４６方向に回転する。基板３０は、トレイ４０上において回転軸４６周りに回転する。ヒータ４４は、サセプタ４２およびトレイ４０を通して基板３０を加熱する。
【００３６】
基板３０がトレイ４０上において回転軸４６周りに回転している状態で、成長室２には材料ガス（図示せず）が導入される。材料ガスは、２種類のガスとして、材料ガス源５４Ａから流量制御手段５２Ａおよびガス導入ライン５０Ａを順次通過した一のガスと、材料ガス源５４Ｂから流量制御手段５２Ｂおよびガス導入ライン５０Ｂを順次通過した（一のガスとは異なる）他のガスとを含む。材料ガス源５４Ａからの当該一のガスの流量は、流量制御手段５２Ａによって調節される。流量制御手段５２Ｂからの当該他のガスの流量は、流量制御手段５２Ｂによって調節される。
【００３７】
（シャワーヘッド１０・シャワープレート２０）
図２〜図５を参照して、実施の形態におけるシャワーヘッド１０およびシャワープレート２０の詳細について説明する。図２は、気相成長装置１００におけるシャワーヘッド１０およびシャワープレート２０等を部分的に示す断面図である。図３は、シャワープレート２０を示す底面図である。図４は、シャワープレート２０の一部を拡大して示す断面図である。図５は、シャワープレート２０の底面（平坦面２１）の一部を拡大して示す斜視図である。
【００３８】
図２を参照して、上述のとおり、シャワーヘッド１０は、成長室２（図１参照）の最上部に設置される。シャワーヘッド１０の下方には、シャワーヘッド１０に対向するようにシャワープレート２０が配置される。シャワープレート２０には、基板３０に対向する平坦面２１が形成される。
【００３９】
シャワーヘッド１０においては、ガス導入ライン５０Ａに連通するガス導入管１１と、ガス導入ライン５０Ｂに連通するガス導入管１３と、冷却水導入ライン８０（図１において図示せず）に連通する冷却水導入管１５とが、順に上方から下方に向かって層状に並んで配設される。ガス導入管１１、ガス導入管１３、および冷却水導入管１５は、シャワーヘッド１０を面方向（紙面左右方向）に貫通している。
【００４０】
ガス導入管１１には、下方に向かって複数の分岐管１２が突設される。ガス導入管１３には、下方に向かって複数の分岐管１４が突設される。分岐管１２および分岐管１４は同軸上に位置し、分岐管１４は分岐管１２の外側に配置される。分岐管１２および分岐管１４は、いわゆる２重配管構造を呈している。分岐管１２および分岐管１４の開口端同士は、シャワーヘッド１０におけるガス吐出口１６の近傍で合流している。
【００４１】
シャワープレート２０には、上述のとおり複数のプレート孔２２が設けられる。各プレート孔２２は、直管状を呈している。各プレート孔２２の上方側の開口端２２Ｎは、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６に対向している。各プレート孔２２の下方側の開口端２２Ｍは、シャワープレート２０の平坦面２１上に位置している。各プレート孔２２同士の間隔は、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６同士の間隔と同一である。各プレート孔２２および各ガス吐出口１６は、それぞれが一対一で対応している。
【００４２】
図３〜図５を参照して、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間には、複数の凹部２３が形成されている。各凹部２３は、平坦面２１上に開口端２３Ｍを有している。図４に示すように、本実施の形態における各凹部２３は、平坦面２１からたとえば円柱状に凹むように切削加工等によって形成される。
【００４３】
また、各凹部２３の内表面は、電界研磨加工等によって鏡面状に形成されているとよい。平坦面２１も、電界研磨加工等によって鏡面状に形成されているとよい。
【００４４】
各凹部２３の平坦面２１からの最大深さＤと、各凹部２３の平坦面２１上における開口端２３Ｍの最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立しているとよい。たとえば、各凹部２３が平坦面２１から円柱状に凹むように形成される場合、各凹部２３における最大開口幅Ｗ（開口端２３Ｍの直径）と最大深さＤとの間には、Ｄ／Ｗ（アスペクト比）＞１の関係が成立しているとよい。
【００４５】
各凹部２３の平坦面２１上における開口端２３Ｍの形状としては、上記の場合に限られず、円形、楕円形、方形、および多角形のいずれであってもよい。各凹部２３同士の間隔は、可能な限り小さく設計されるとよい。気相成長装置１００は、以上のように構成される。
【００４６】
（気相成長装置１００を使用した気相成長方法）
図１を再び参照して、本実施の形態における半導体素子の製造方法として、上記のように構成される気相成長装置１００を使用した気相成長方法について説明する。
【００４７】
シャワーヘッド１０に接続されたガス導入ライン５０Ａから、一のガス（実線で示される矢印ＡＲ５０Ａ参照）が、ガス導入管１１内に導入される。当該一のガスは、たとえば、アンモニアガス、ホスフィンガス、またはアルシンガス等の水素化合物ガスからなるＶ族ガスである。当該一のガスは、ガス導入管１１内において面方向に広がる。当該一のガスは、ガス導入管１１から下方に向かって複数突設された分岐管１２の内部を、シャワープレート２０に向かって流れる。
【００４８】
一方、シャワーヘッド１０に接続されたガス導入ライン５０Ｂから、他のガス（点線で示される矢印ＡＲ５０Ｂ参照）が、ガス導入管１３内に導入される。当該他のガスは、たとえば、トリメチルガリウムまたはトリメチルアルミニウム等の有機金属ガスからなるＩＩＩ族ガスである。当該他のガスは、ガス導入管１３内において面方向に広がる。当該他のガスは、ガス導入管１３から下方に向かって複数突設された分岐管１４の内部を、シャワープレート２０に向かって流れる。
【００４９】
上記の一のガス（Ｖ族ガス）および他のガス（ＩＩＩ族ガス）は、ガス吐出口１６の近傍で混合され、材料ガスとしてガス吐出口１６から排出される。本実施の形態においては、冷却水導入ライン８０から所定の冷媒（たとえば冷水）が冷却水導入管１５に導入される（一点鎖線で示される矢印ＡＲ８０参照）。冷媒は、冷却水導入管１５内において面方向に広がる。ガス吐出口１６の近傍（冷却水導入管１５）を流れる上記の材料ガスは、所定の温度に冷却された状態で、ガス吐出口１６から排出される。
【００５０】
上記の材料ガスは、シャワーヘッド１０における各ガス吐出口１６から排出された後、シャワープレート２０における各開口端２２Ｎから各プレート孔２２の内部に入り込む。図１，図２および図４に示すように、材料ガスは、各プレート孔２２を通過した後（白抜きで示される矢印ＡＲ５６参照）、各プレート孔２２の平坦面２１上における各開口端２２Ｍから吹き出される。
【００５１】
基板３０がトレイ４０上において回転軸４６（図１参照）周りに回転している状態で、材料ガスは基板３０に対してシャワー状に吹き付けられる。材料ガスは、基板３０の上方を、シャワープレート２０の中央側から半径方向外側に向かって流れる。材料ガスが流れる過程で、ヒータ４４（図１参照）に加熱された基板３０上で材料ガスが分解され、気相化学反応が促進される。
【００５２】
図６を参照して、当該気相化学反応によって基板３０上に薄膜３２が形成される。上記の動作を繰り返すことによって、基板３０上に所定の構造を有する半導体素子３４が形成される。図１を再び参照して、成膜処理後の材料ガスは、真空ポンプ６２の吸引によって成長室２からガス排気ライン６０へと排出され、排ガス処理装置６４において無害化される。
【００５３】
（作用・効果）
図７を参照して、上述のとおり、気相化学反応時における材料ガスは、シャワープレート２０の中央側から半径方向外側に向かって平坦面２１に沿うように流れる（たとえば矢印ＡＲ５８参照）。平坦面２１上の各プレート孔２２同士の間の部分（開口端２２Ｍ同士の間の部分）は、材料ガスの流れの澱みが発生しやすく反応生成物７０が付着する。
【００５４】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、シャワープレート２０の平坦面２１に複数の凹部２３が形成されている。平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が減少している。
【００５５】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が少ない。冒頭に説明した特許文献１（特開２０００−２３５９５４号公報）に開示の発明とは異なり、プラズマを発生させる手段を用いることなく、気相成長装置１００においては平坦面２１に付着する反応生成物７０の量が減少している。
【００５６】
特に、各凹部２３における最大開口幅Ｗと最大深さＤとの間に、Ｄ／Ｗ＞１が成立しているとする（図４参照）。この場合、凹部２３の開口端２３Ｍの近傍においては、各凹部２３の深さ方向に対する材料ガスのコンダクタンスが小さくなる。つまり、材料ガスが各凹部２３に入り込もうとする際の抵抗が大きくなる（材料ガスは各凹部２３に入り込み難くなる）。
【００５７】
ここで、たとえば孔や配管の中を流体が流れようとした場合に、孔や配管の内壁面付近には流体に対する大きな抵抗が発生する。内壁面からの離れるほど当該抵抗は小さくなる。配管の中央部付近の方が内壁面側よりも抵抗が小さくなり、また、抵抗は流体の流れる方向の距離に比例して増加する。このため、凹部２３については、凹部２３の幅（開口端２３Ｍの最大開口幅Ｗ）が大きくなると内部に入り込もうとする流体の抵抗は小さくなり、凹部２３の長さ（凹部２３の最大深さＤ）が大きくなると、内部に入り込もうとする流体の抵抗は大きくなる。
【００５８】
各凹部２３における最大開口幅Ｗと最大深さＤとの間に、Ｄ／Ｗ＞１が成立している場合には、特に、開口端２３Ｍの近傍では、材料ガスが凹部２３に侵入することはほとんどなくなる。シャワープレート２０の平坦面２１への反応生成物７０の付着は、大幅に抑制される。
【００５９】
また、各凹部２３の内表面が鏡面状に形成されている場合、および平坦面２１が鏡面状に形成されている場合も、各凹部２３と付着物の粒子（材料ガス）との摩擦抵抗および平坦面２１と付着物の粒子（材料ガス）との摩擦抵抗が小さくなることによって、シャワープレート２０の平坦面２１への反応生成物７０の付着は大幅に抑制される。
【００６０】
本実施の形態における気相成長装置１００においては、反応生成物７０は、平坦面２１への付着量が極めて少ないため、材料ガスの流れを乱したり、材料ガスの風圧によって剥がれ落ちたりすることもほとんどない。反応生成物７０が基板３０（図１参照）に落下して成膜品質等が低下することもない。
【００６１】
気相成長装置１００によれば、基板３０に対して材料ガスが安定して供給されることによって、基板３０上に形成される薄膜（図６における薄膜３２）の面内分布が均一となり、高品質な成膜処理を実現することが可能となる。気相成長装置１００によれば、シャワープレートの洗浄サイクルを延ばし、稼働率を高めながら、効率的に安定した歩留まりを長期間維持しつづけることが可能となる。
【００６２】
［実施の形態の第１変形例］
図８および図９を参照して、上述の実施の形態に係る気相成長装置の第１変形例について説明する。ここでは、上述の実施の形態との相違点について説明する。
【００６３】
図８および図９に示すように、本変形例に係るシャワープレート２０Ａにおいては、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間に、複数の凹部２３Ａが形成される。各凹部２３Ａは、平坦面２１から半球状（ディンプル状）に凹むように形成される。各凹部２３Ａは、たとえば、平坦面２１に対するエンボス加工または板金加工等によって形成されることができる。
【００６４】
また、各凹部２３Ａの内表面は、電界研磨加工などによって鏡面状に形成されているとよい。本実施の形態における各凹部２３Ａは、一つ一つが全体として半球状を呈している。各凹部２３Ａの一つ一つの底面側の形状のみが部分的に球面状に形成され、他の開口端２３Ｍ側の部分はたとえば円柱状に形成されていてもよい。
【００６５】
本実施の形態における凹部２３Ａのように、その直径が開口端２３Ｍから上方に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成される場合、各凹部２３Ａの開口端２３Ｍ同士は相互に接しているとよい。
【００６６】
ここでいう開口端２３Ｍ同士が相互に接しているとは、開口端２３Ｍ同士が点で接触している場合、および開口端２３Ｍ同士が線で接触している場合を含む。開口端２３Ｍ同士が点で接触している場合とは、図１０におけるシャワープレート２０Ａ１に示すように、隣り合う開口端２３Ｍ同士が所定の１点で外接している状態である。開口端２３Ｍ同士が線で接触している場合とは、図１１におけるシャワープレート２０Ａ２に示すように、隣り合う開口端２３Ｍ同士が所定の長さに形成される線状の外縁を共有している状態である。当該構成によれば、各凹部２３Ａ同士の間隔が小さくなり、平坦面２１の面積をより一層減少させることが可能となる。
【００６７】
本変形例に係る気相成長装置も、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が小さい。シャワープレート２０Ａ（およびシャワープレート２０Ａ１，２０Ａ２）の平坦面２１への反応生成物７０（図７参照）の付着が大幅に抑制され、上述の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【００６８】
［実施の形態の第２変形例］
図１２および図１３を参照して、上述の実施の形態に係る気相成長装置の第２変形例について説明する。ここでは、上述の実施の形態との相違点について説明する。
【００６９】
図１２および図１３に示すように、本変形例に係るシャワープレート２０Ｂにおいては、平坦面２１上における複数の各プレート孔２２同士の間に、複数の凹部２３Ｂが形成される。各凹部２３Ｂの平坦面２１上における開口端２３Ｍには、切削加工等によって球面状（Ｒ面取り状）の球面部２３Ｒが形成されている。各凹部２３Ｂおよび各球面部２３Ｒは、上述の実施の形態と同様に鏡面状に形成されるとよい。
【００７０】
複数の各プレート孔２２の平坦面２１上における開口端２２Ｍに、エンボス加工または板金加工等によって球面状（Ｒ面取り状）の球面部２２Ｒが形成されていてもよい。平坦面２１および各球面部２２Ｒは、上述の実施の形態および第１変形例と同様に鏡面状に形成されるとよい。
【００７１】
本変形例に係る気相成長装置も、冒頭に説明した気相成長装置２００（図１４〜図１７）に比べて、平坦面２１と平坦面２１に沿って流れる材料ガスとの接触面積が少ない。シャワープレート２０Ｂの平坦面２１への反応生成物７０（図７参照）の付着が大幅に抑制され、上述の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【００７２】
以上、本発明に基づいた実施の形態および各実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および各実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７３】
１，２０１ 反応炉、２，２０２ 成長室、１０，２１０ シャワーヘッド、１１，１３ ガス導入管、１２，１４ 分岐管、１５ 冷却水導入管、１６ ガス吐出口、７０，２７０ 反応生成物、２０，２０Ａ，２０Ａ１，２０Ａ２，２０Ｂ，２２０ シャワープレート、２１，２２１ 平坦面、２２，２２２ プレート孔、２２Ｍ，２２Ｎ，２３Ｍ，２２２Ｍ 開口端、２２Ｒ，２３Ｒ 球面部、２３，２３Ａ，２３Ｂ 凹部、３０，２３０ 基板、３２ 薄膜、３４ 半導体素子、４０，２４０ トレイ、４２，２４２ サセプタ、４４，２４４ ヒータ、４６，２４６ 回転軸、４８，２４８ 回転手段、５０Ａ，５０Ｂ，２５０Ａ，２５０Ｂ ガス導入ライン、５２Ａ，５２Ｂ，２５２Ａ，２５２Ｂ 流量制御手段、５４Ａ，５４Ｂ，２５４Ａ，２５４Ｂ 材料ガス源、６０，２６０ ガス排気ライン、６２，２６２ 真空ポンプ、６４，２６４ 排ガス処理装置、８０ 冷却水導入ライン、１００，２００ 気相成長装置、ＡＲ４６，ＡＲ５０Ａ，ＡＲ５０Ｂ，ＡＲ５６，ＡＲ５８，ＡＲ８０，ＡＲ２４６，ＡＲ２５６ 矢印、Ｄ 最大深さ、Ｗ 最大開口幅。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内に導入された材料ガスを用いて被成膜基板に成膜処理を施す気相成長装置であって、
前記反応炉内に設けられ、複数のガス吐出口を含むシャワーヘッドと、
前記反応炉内において前記被成膜基板に対向する平坦面、および複数の前記ガス吐出口のそれぞれに対応するように前記平坦面から貫通形成された複数のプレート孔を含むシャワープレートと、を備え、
前記平坦面上における複数の前記プレート孔同士の間には、前記平坦面上に開口端を有する複数の凹部が形成されている、
気相成長装置。
【請求項２】
複数の前記凹部の前記開口端の形状は、円形、楕円形、方形、または多角形である、
請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
複数の前記凹部の前記平坦面からの最大深さＤと、複数の前記凹部の前記平坦面上における前記開口端の最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立している、
請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
複数の前記凹部の底面側の形状は、球面状に形成されている、
請求項１から３のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項５】
複数の前記凹部の前記開口端は、前記平坦面上において相互に接している、
請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
複数の前記凹部の前記開口端の形状は、球面状に形成されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記平坦面上における複数の前記プレート孔の開口端の形状は、球面状に形成されている、
請求項１〜６のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記凹部の内表面および／または前記平坦面は、鏡面状に形成されている、
請求項１〜７のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、前記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む、気相成長方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、前記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む、半導体素子の製造方法。
【請求項１】
反応炉内に導入された材料ガスを用いて被成膜基板に成膜処理を施す気相成長装置であって、
前記反応炉内に設けられ、複数のガス吐出口を含むシャワーヘッドと、
前記反応炉内において前記被成膜基板に対向する平坦面、および複数の前記ガス吐出口のそれぞれに対応するように前記平坦面から貫通形成された複数のプレート孔を含むシャワープレートと、を備え、
前記平坦面上における複数の前記プレート孔同士の間には、前記平坦面上に開口端を有する複数の凹部が形成されている、
気相成長装置。
【請求項２】
複数の前記凹部の前記開口端の形状は、円形、楕円形、方形、または多角形である、
請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
複数の前記凹部の前記平坦面からの最大深さＤと、複数の前記凹部の前記平坦面上における前記開口端の最大開口幅Ｗとの間には、Ｄ／Ｗ＞１の関係が成立している、
請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
複数の前記凹部の底面側の形状は、球面状に形成されている、
請求項１から３のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項５】
複数の前記凹部の前記開口端は、前記平坦面上において相互に接している、
請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
複数の前記凹部の前記開口端の形状は、球面状に形成されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記平坦面上における複数の前記プレート孔の開口端の形状は、球面状に形成されている、
請求項１〜６のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記凹部の内表面および／または前記平坦面は、鏡面状に形成されている、
請求項１〜７のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、前記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む、気相成長方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、前記被成膜基板に成膜処理を施す工程を含む、半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１２４２５６（Ｐ２０１２−１２４２５６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７２５７８（Ｐ２０１０−２７２５７８）
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【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６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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