気相成長装置及び気相成長方法
【課題】混合室の大きさを調整して、様々な条件の成膜に対応する。
【解決手段】気相成長装置１は、反応炉１４内の被処理基板１５を載置するための基板保持部材１６に対向して配置されて被処理基板１５に向かって第１ガスを供給するために設けられたシャワープレート２と、シャワープレート２に対して基板保持部材１６の反対側に配置されて被処理基板１５に向かって第２ガスを供給するために設けられたシャワープレート３とを備え、シャワープレート２には、被処理基板１５に向かって第１ガスが流れるガス流路４ａが形成されており、シャワープレート３は、被処理基板１５に向かって第２ガスを流すために設けられてシャワープレート３から突出してガス流路４ａの内部に挿入されたガス導管５を有しており、ガス導管５は、シャワープレート３に着脱可能に設けられている。
【解決手段】気相成長装置１は、反応炉１４内の被処理基板１５を載置するための基板保持部材１６に対向して配置されて被処理基板１５に向かって第１ガスを供給するために設けられたシャワープレート２と、シャワープレート２に対して基板保持部材１６の反対側に配置されて被処理基板１５に向かって第２ガスを供給するために設けられたシャワープレート３とを備え、シャワープレート２には、被処理基板１５に向かって第１ガスが流れるガス流路４ａが形成されており、シャワープレート３は、被処理基板１５に向かって第２ガスを流すために設けられてシャワープレート３から突出してガス流路４ａの内部に挿入されたガス導管５を有しており、ガス導管５は、シャワープレート３に着脱可能に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かってガスを供給するために設けられたシャワープレートを備えた気相成長装置及び気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードおよ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）法及びＭＯＣＶＤ装置が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、所定の被処理基板上で気相反応させることにより、その被処理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。
【０００４】
図１１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９２から、反応炉９１の内部の成長室に反応ガスおよび不活性ガスを導入するためのガス配管９３が接続されており、反応炉９１の内部の成長室８１の上部には成長室に反応ガスおよ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９０がガス導入部として設置されている。また、反応炉９１の成長室８１の下部中央にはアクチュエータ（図示せず）によって回転自在の回転軸８２が設置され、回転軸８２の先端にはシャワープレート９０と対向するようにしてサセプタ９８が取り付けられており、サセプタ９８の下部にはサセプタ９８を加熱するためのヒータ９９が取り付けられている。また、反応炉９１の下部には反応炉９１の内部の成長室８１内のガスを外部に排気するためのガス排気部９４が設置されており、ガス排気部９４は、パージライン９５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９６に接続されている。
【０００５】
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、化合物半導体結晶の成長の際には、サセプタ９８に基板９７が設置され、その後、回転軸８２の回転によりサセプタ９８が回転させられる。そして、ヒータ９９の加熱によりサセプタ９８を介して基板９７が所定の温度に加熱され、シャワープレート９０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉９１の内部の成長室８１に反応ガスおよび不活性ガスが導入される。
【０００６】
複数の反応ガスを供給して被処理基板上で反応せしめ、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、シャワープレートに多数設けられているガス吐出口から被処理基板に反応ガスを吹き出させる方法がとられていた。しかし、上記方法によると、シャワーヘッド内で混合したガスの気相反応が生じてしまい、シャワープレート内部の汚染や、目詰まりが発生する問題が生じる。
【０００７】
この問題を解決するため特開平５−１４４７５３号公報（特許文献１）では、ガス導入口に多くの通し穴を有する整流板を設け、複数種類のガスを別々にこれらの通し穴に通して、原料ガスを別々に整流板から下方に吹き出す方法が示されている。反応ガスが分離した状態で供給されるため、シャワーヘッド内で気相反応が生じることはない。
【０００８】
また、別の方法として、特開平５−１５２２０８号公報（特許文献２）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示されている。反応ガスが分離した状態で供給されるため、シャワーヘッド内で気相反応が生ずることはない。
【０００９】
ＭＯＣＶＤ法によって所望の薄膜を被処理基板上へ形成する際、反応性を有する原料ガスによって被処理基板表面で生起される表面反応は、極めて複雑なメカニズムを有することが知られている。すなわち、被処理基板の温度、原料ガスの温度、流速、圧力、原料ガスに含まれる活性化学種の種類、反応系における残留ガス成分等、多数のパラメータが、前記表面反応に寄与するため、ＭＯＣＶＤ法でこれらのパラメータを制御して所望の薄膜を形成させることは極めて難しいとされる。上記の従来技術は、被処理基板から遠く離れて反応ガスを混合することを伴い、反応ガスが被処理基板に到達する前に反応し、被処理基板表面反応の制御が困難となり、成長膜の品質低下を招く場合がある。
【００１０】
この問題を解決するために特開平８−９１９８９号広報（特許文献３）では、複数の反応ガスを個別のシャワープレート導管によって分離した状態で成長室へ供給し、それぞれのシャワープレート導管を冷却する冷却チャンバが成長室側に設けられる方法が示されている。シャワープレート表面を冷却チャンバによって冷却することが可能となるため、シャワーヘッドと被処理基板間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。
【００１１】
また、特開２００６−２１６８３０号公報（特許文献４）では、円盤体のガス供給部上部にガス導入口とガス分配空間を設け、下面に全域に亙って複数のガス噴出口を設け、ガス分配空間とガス噴出口を連通するガス通路を基板保持台の軸線Ｙと平行に設け、円盤体の外周に冷媒ジャケットを形成し、円盤体の中心部から半径方向に延びる冷媒集合通路を設けて、冷媒ジャケットから冷媒集合通路へ連通する冷媒通路を、上下段に、且つガス通路を四囲から冷却するよう配設している。ガス通路が冷媒通路によって四囲から冷却されるので原料ガス及びキャリアガスが充分に冷却される。ガス噴出口から噴出した各種原料ガスは基板保持台上に供給され、原料ガス同士が基板到達前に混合し附加化合物が発生するのを防ぐことができ、原料利用効率が向上し、成長膜の品質の低下を防止することができる。
【００１２】
また、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かって第１ガスを供給するために設けられた第１シャワープレートと、第１シャワープレートに対して基板保持部材の反対側に配置されて被処理基板に向かって第２ガスを供給するために設けられた第２シャワープレートとを備えた気相成長装置が知られている（特許文献５及び特許文献６）。
【特許文献１】特開平５−１４４７５３号公報（平成５年６月１１日公開）
【特許文献２】特開平５−１５２２０８号公報（平成５年６月１８日公開）
【特許文献３】特開平８−９１９８９号広報（特許第３４４２５３６号明細書）（平成８年４月９日公開）
【特許文献４】特開２００６−２１６８３０号広報（平成１８年８月１７日公開）
【特許文献５】特開２０００−１４４４３２号公報（平成１２年５月２６日公開）
【特許文献６】特開２００４−１５８４９９号公報（平成１６年６月３日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
被処理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、基板上で均等な濃度分布で反応ガスを気相反応させることが必要である。また、原料ガス同士が基板到達前に混合し附加化合物が発生するのを防ぎ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率の向上が必要である。
【００１４】
特許文献１、２のように反応ガスを分離した状態で成長室へ供給すると、シャワーヘッド内で気相反応が生ずることは無くなるが、被処理基板から遠く離れて反応ガスを混合することを伴い、反応ガスが被処理基板に到達する前に反応し、被処理基板表面反応の制御が困難となり、成長膜の品質低下を招く場合があるという問題がある。
【００１５】
特許文献３では、シャワープレート表面を冷却チャンバによって冷却することが可能となるため、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。しかし、特許文献３のシャワーヘッド構造においては、各反応ガスの流出口は、分離されており、成長室へ導入された後、混合するため、各ガスの混合性に限界があり、特に、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離が小さくなるほど、混合領域が十分でなく、原料ガスに濃度分布が生じる可能性がある。その為、被処理基板上の成長膜に、膜厚分布や組成分布が生じる可能性や、原料利用効率の向上に限界があるという問題がある。
【００１６】
特許文献４では、ガス通路を四囲から冷却されるため、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。しかし、特許文献４のシャワーヘッド構造においては、キャリアガスは、ほぼ全面に渡りシャワー状に供給することが可能であるが、各原料ガス及びドーパントガスは、スペーサブロックから径方向に直線状に供給することになる。各ガスの混合性に限界があり、特に、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離が小さくなるほど、混合領域が十分でなく、原料ガスに濃度分布が生じる可能性がある。その為、被処理基板上の成長膜に、膜厚分布や組成分布が生じる可能性や、原料利用効率の向上に限界があるという問題がある。
【００１７】
特許文献５及び特許文献６に記載の構成では、ガス導管の先端とガス流路とによって形成されて第１ガスと第２ガスとが混合される混合室の容積を調整するためには、ガス導管が設けられた第２シャワープレートの本体毎に再び製作する必要が生じ、作業が煩雑であり、コストが増大するという問題がある。
【００１８】
また特許文献５に記載の構成では、ガス導管は、成長室の反対側から着脱する必要があるが、成長室の反対側からガス導管を着脱しようとすると、メンテナンスしにくくなるという問題が生じる。成長室は、通常のメンテナンスで開放することはあるが、反対側のガス分配空間は、基本的に開放する機会がないので、ガス導管をガス分配空間側から着脱しようとすると、わざわざ開放する必要が生じ、稼働率が低下するという問題がある。また、ガス導管をガス分配空間側から着脱しようとすると、ガス供給室にノズルが突出するため乱流が発生するという問題が生じる。
【００１９】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、基板到達前に附加化合物が発生するのを防ぎ、シャワープレートより成長室へ供給する反応ガスの混合性を向上させ、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができ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。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る気相成長装置は、反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置されて前記被処理基板に向かって第１ガスを供給する第１シャワープレートと、前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置されて前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する第２シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、前記第１シャワープレートには、前記被処理基板に向かって前記第１ガスが流れるガス流路が形成されており、前記第２シャワープレートは、前記第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有しており、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
この特徴により、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられるので、ガス導管を第２シャワープレートから取り外すことができ、ガス導管の長さを変えることによって、混合室の大きさを変えることが可能である。ガス導管を取外し可能な構成としていることで、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができる。
【００２２】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の出口には、複数の孔が形成されていることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、第２ガスの流路となるガス導管の出口に、複数孔を設けたことによって、第２ガスの噴出しをより広げることが可能となるため、(パイプ形状の場合、直線状に噴出すのみである)より、第１ガスと第２ガスとの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとの間に前記第１ガスを前記ガス流路に供給する第１ガス分配空間が形成され、前記第２シャワープレートは、前記第１ガス分配空間が露出するように前記第１シャワープレートから取り外し可能に設けられていることが好ましい。
【００２５】
上記構成によれば、第１ガス分配空間が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、シャワープレート内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる（従来の構造によると、ロウ付等により接合しているため、内部の完全な洗浄は不可能である。穴が小さく（φ０．６ｍｍ）、洗浄液が十分に流れ難く、よどみができるため、異物がたまる可能性が高い。）。
【００２６】
本発明に係る気相成長装置では、前記第２シャワープレートは、ベースとカバープレートとを有し、前記ベースと前記カバープレートとの間に第２ガス分配空間が形成され、前記カバープレートは、前記第２ガス分配空間が露出するように前記ベースから取り外し可能に設けられていることが好ましい。
【００２７】
上記構成によれば、第２ガス分配空間が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、シャワープレート内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。
【００２８】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の温度を調整する冷媒を流す冷媒流路が前記第２シャワープレートに形成されていることが好ましい。
【００２９】
上記構成によれば、第２ガス流路を温度調整する冷媒流路が構成されることで、第２ガス流路の温度を可変することが可能となり、第２ガス温度をコントロールすることが可能となる。つまり、第１ガスと第２ガスとを個別に温度調整することができる。これによって、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００３０】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１ガスは、III族ガスを含み、前記第２ガスは、Ｖ族ガスを含むことが好ましい。
【００３１】
上記構成によれば、第２ガスの流路となるガス導管の出口は、ヒータからの熱を直接受け、冷媒流路によって温度調整される第１ガス流路に比べ、温度上昇しやすい構造である。Ｖ族系ガスは有機ガスが用いられ、高温にしないと分子が分解して成長膜にドープされない、あるいは分子のままドープされてホールを形成してしまい、膜質や成長レートの劣化に繋がる。そのため、第２ガスの流路となるガス導管をＶ族系ガスとすることで、予め反応室以外で加熱し、活性化されたガスを反応室に供給することにより、基板温度をIII族系ガスが熱分解しない程度の温度を保ったまま、気相反応を進行させことが可能となる。
【００３２】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の長手方向に沿って前記ガス導管と前記ガス流路とを相対的に昇降させる昇降機構を設けることが好ましい。
【００３３】
上記構成によれば、第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することが可能となり、原料ガス混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。また、成膜中に混合室の大きさを可変することが可能となり、１回の成膜で反応ガス流量や、被処理基板温度が変わる複数の膜を成長させる場合においても、それぞれの条件に最適な混合室の大きさを設定できるため、最適な単膜を積層することが可能となり、高品質の多層膜を成膜することが可能となる。
【００３４】
さらに、相対位置移動により、ガス導管の流路からの突出程度、被処理基板へのガス導管先端からの距離、第１流路出口からの距離が変わりうるので、膜質や成長速度の変更が可能となる。
【００３５】
本発明に係る気相成長装置では、前記昇降機構は、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させることが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、簡単な構成によって第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することができる。
【００３７】
本発明に係る気相成長装置では、前記昇降機構は、前記ガス導管と前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させることが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、簡単な構成によって第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することができる。
【００３９】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートと嵌合するフランジを有し、前記ガス導管の前記フランジの外径は、前記ガス流路の内径よりも小さいことが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、反応炉側からガス導管を交換することができる。
【００４１】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の先端には、前記ガス導管の交換冶具と嵌合する溝または突起が形成されていることが好ましい。
【００４２】
上記構成によれば、ガス導管を容易に回転させて交換することができる。
【００４３】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１シャワープレートは、前記ガス導管の先端の前方において前記ガス流路の内壁により形成されて前記第１ガスと前記第２ガスとを混合する混合室を有していることが好ましい。
【００４４】
上記構成によれば、混合室により、原料ガス混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００４５】
本発明に係る気相成長方法は、反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置された第１シャワープレートであって、前記被処理基板に向かって第１ガスが流れるガス流路が形成された第１シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置された第２シャワープレートであって、第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有する第２シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する気相成長方法であって、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする。
【００４６】
この特徴により、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられるので、ガス導管を第２シャワープレートから取り外すことができ、ガス導管の長さを変えることによって、混合室の大きさを変えることが可能である。ガス導管を取外し可能な構成としていることで、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した方法とすることができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明に係る気相成長装置は、以上のように、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられているので、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができるという効果を奏する。
【００４８】
本発明に係る気相成長方法は、以上のように、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられているので、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の一実施形態について図１ないし図８に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る気相成長装置１の構成を示す断面図である。気相成長装置１は、縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置によって構成されている。気相成長装置１は、反応炉１４を備えている。反応炉１４の中には、被処理基板１５を載置した円盤状の基板保持部材１６が設けられている。基板保持部材１６の下側には、軸状の回転伝達部材２０が結合されており、図示しない駆動機構により、被処理基板１５の表面に垂直な回転伝達部材２０の周りに回転可能に基板保持部材１６が設けられている。基板保持部材１６の下側には、基板保持部材１６を加熱する加熱ヒータ１７がさらに設けられている。
【００５１】
反応炉１４の上側には、略円筒形状をしたガス供給部１８が設けられている。ガス供給部１８は、シャワープレート２とシャワープレート３とを有している。シャワープレート２は、反応炉１４内の被処理基板１５を載置する基板保持部材１６に対向して配置されて被処理基板１５に向かって第１ガスを供給するために設けられている。シャワープレート３は、シャワープレート２に対して基板保持部材１６の反対側に配置されて被処理基板１５に向かって第２ガスを供給するために設けられている。
【００５２】
図２は気相成長装置１に設けられたガス供給部１８の詳細な構造を示す断面図であり、図３は図２に示すＡ部の拡大断面図である。図４は、気相成長装置１に設けられたガス供給部１８を被処理基板１５側から見た平面図である。
【００５３】
シャワープレート２には、被処理基板１５に向かって第１ガスが流れる複数個のガス流路４ａが、所定の間隔を空けて配置されて形成されている。シャワープレート２は、基板保持部材１６に対向する壁面２６を有しており、壁面２６には各ガス流路４ａの流路出口２５が形成されている。壁面２６と反応炉１４の内壁とによって反応室１９が形成されている。反応炉１４の側壁の基板保持部材１６よりも低い位置には、ガス排出口２１が形成されている。反応炉１４とシャワープレート２との間には、反応室１９を封止するためのＯリング２２ａが設けられている。
【００５４】
第１ガスをガス流路４ａに供給するためにシャワープレート２とシャワープレート３との間にガス分配空間９が形成されている。シャワープレート３は、ガス分配空間９が露出するようにシャワープレート２から取り外し可能に設けられている。シャワープレート２とシャワープレート３との間に、ガス分配空間９を封止するためのＯリング２２ｂが設けられている。シャワープレート２の周縁には、ガス分配空間９に第１ガスを供給するための複数のガス導入口２３が設けられている。
【００５５】
シャワープレート３は、被処理基板１５に向かって第２ガスを流すために設けられてシャワープレート３から突出して各ガス流路４ａの内部に挿入された複数のガス導管５を有している。ガス導管５には、第２ガスが流れるガス流路４ｂが形成されている。
【００５６】
シャワープレート３は、ベース７と上方プレート８とを有している。ベース７と上方プレート８との間にガス分配空間１０が形成されている。上方プレート８は、ガス分配空間１０が露出するようにベース７から取り外し可能に設けられている。ベース７と上方プレート８との間には、ガス分配空間１０を封止するためのＯリング２２ｃが設けられている。上方プレート８には、ガス分配空間１０に第２ガスを供給するための第２ガス導入口２４が形成されている。
【００５７】
シャワープレート２には、ガス導管５の温度を調整する冷媒を流すための冷媒流路１１が、ガス流路４ａの周りを通って形成されている。
【００５８】
シャワープレート２には、第１ガスと第２ガスとが混合される混合室１２が、ガス導管５の先端の前方においてガス流路４ａの内壁により形成されている。
【００５９】
シャワープレート２は、基板保持部材１６に対向して設けられた下方プレート２９と、下方プレート２９と所定の間隔を空けて基板保持部材１６の反対側に設けられた上方プレート２８と、下方プレート２９及び上方プレート２８を貫通して設けられてガス流路４ａを形成するガス導管３０とを有している。
【００６０】
シャワープレート２には、第１ガスを導入する第１ガス導入口２３と、第１ガスをガス分配空間９に導く導入経路３１とが形成されたフランジ部３２が設けられている。ベース７と上方プレート８とは、その周縁において固定ネジ３９によってフランジ部３２に固定されている。
【００６１】
冷媒流路１１には、冷媒を各ガス流路４ａの周りに均等に供給するための冷媒調整リング３３が設けられている。ガス分配空間９には、第１ガスを各ガス流路４ａに均等に供給するための第１ガス調整リング３６が設けられている。ガス分配空間１０には、第２ガスを各ガス導管５に均等に供給可能とするための第２ガス調整リング３５が設けられている。
【００６２】
このように、気相成長装置１においては、内部を大気側と隔離し、気密状態を保持する反応炉１４と、被処理基板１５を載置する基板保持部材１６と、被処理基板１５を加熱する基板加熱ヒータ１７と、基板保持部材１６と対向する位置に設けられて被処理基板１５に向けて複数の原料ガスを供給する複数のガス流路出口を有するガス供給部１８とによって、反応室１９を構成している。
【００６３】
基板保持部材１６は、回転伝達部材２０の一端に備え付けられており、回転伝達部材２０は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。
【００６４】
被処理基板１５の主表面に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）をガス供給部１８から反応室１９へ導入する。このとき加熱ヒータ１７により、基板保持部材１６を介して被処理基板１５が加熱され、被処理基板１５上での成膜化学反応が促進されることにより、被処理基板１５上に薄膜が形成される。被処理基板１５上を通過したガスは、ガス排出口２１より排出される。
【００６５】
次に、ガス供給部１８の構造を、より具体的に説明する。図１において、ガス供給部１８は、反応炉１４と、Ｏリング２２ａによって、気密状態を保持するよう封止されており、ガス供給部１８と反応炉１４とは取り外し可能なように構成されている。
【００６６】
ガス供給部１８には、第１ガス導入口２３と第２ガス導入口２４とが設置されており、それぞれ異なる原料ガスが供給される。
【００６７】
第１ガス、及び第２ガスが分離され、ガス分配空間９とガス分配空間１０とに、各ガスを独立に吐出するシャワープレート形状の複数のガス流路（第１ガス流路４ａ、第２ガス流路４ｂ）によって構成され、個々の第１ガス流路４ａ内に第２ガス流路４ｂが（同芯状に）内包されて配設され、第１ガス流路出口２５は、反応炉壁面２６に形成され、第２ガス流路出口２７は、第１ガス流路出口２５よりも、ガス供給源側、（つまり、被処理基板１５より遠い側）に構成され、配置されることにより、個々の第１ガスと第２ガスとの混合室１２を構成し、第１ガス流路４ａと反応炉壁面２６との間に、第１ガス流路４ａを温度調整する冷媒流路１１が構成される。
【００６８】
第１ガス流路の上方プレート２８と第１ガス流路の下方プレート２９とは、多数の貫通穴が形成され、距離Ａを保って配設されており、ガス流路４ａとなるガス導管３０が、気密を保つよう、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって貫通穴に接合されている。図３中には、ガス導管３０の両端を、それぞれ第１ガス流路の上方プレート２８と第１ガス流路の下方プレート２９とに接合する形状を示しているが、本発明はこれに限定されない。上方プレート２８、もしくは下方プレート２９に直接、ガス導管３０を切削加工等により形成してもよい。
【００６９】
上記のように構成することで、ガス流路４ａを温度調整することが可能な冷媒流路１１が形成される。
【００７０】
更に、第１ガス流路の上方プレート２８、下方プレート２９、及びガス導管３０によって構成された部材に、第１ガス導入流路３１、冷媒流路１１を形成した第１ガス流路のフランジ部３２が接合される。フランジ部３２は、ここでは別体としているが、上方プレート２８、下方プレート２９のいずれか、もしくは両方に形成しても良い。また、接合方法は、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等いずれの方法を用いても良い。
【００７１】
また、冷媒流路１１には、冷媒調整リング３３が配設されており、冷媒を均等に供給することを可能としている。冷媒調整リング３３には、冷媒を均等に供給可能とするための、穴が複数個形成されている。各穴の径は、冷媒を均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７２】
以上のように、構成された部材をシャワープレート２と呼ぶ。
【００７３】
第２ガス流路の下方プレート（ベース７）には、多数の貫通穴が設置され、複数のガス導管５が、気密を保つよう、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって接合されている。図３中には、第２ガス流路下方プレート（ベース７）へガス導管５を接合する形状を示しているが、本発明はこれに限定されない。第２ガス流路下方プレート（ベース７）に直接、ガス導管５を切削加工等により形成してもよい。
【００７４】
下方プレート２９（ベース７）と上方プレート８とは、距離Ｂを保って配設されており、Ｏリング２２ｃにより、取り外し可能状態で固定ネジ３９にて封止されている。以上のように構成することで、ガス分配空間１０が形成される。また、ガス分配空間１０には、調整リング３５が配設され、調整リング３５は、第２ガスを均等に供給可能とするための穴が複数形成されている。各穴の径は、第２ガスを均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７５】
以上のように、構成された部材をシャワープレート３と呼ぶ。
【００７６】
シャワープレート２上に、シャワープレート３を設置し、距離ｃのガス分配空間９を形成する。シャワープレート２と、シャワープレート３は、Ｏリング２２ｃによって気密を保つように固定される。
【００７７】
ガス分配空間９には、調整リング３６が配設され、調整リング３６は、第１ガスを均等に供給可能とするための、穴が複数形成されている。各穴の径は、第１ガスを均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７８】
ガス流路４ａ内に同芯状に内包されたガス流路４ｂのガス流路出口２７は、ガス流路出口２５と距離Ｌの位置に形成される。このように構成することで、ガス流路４ａ内に、第１ガスと第２ガスとの混合室１２が形成される。
【００７９】
上記のように構成することで、反応ガスの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００８０】
また、冷媒流路１１が構成されることによって、被処理基板に到達する前に附加化合物が発生するのを防ぐことができる。
【００８１】
また、本実施の形態においては、シャワープレート３はＯリング２２ｂによって封止されており、取り外しが可能であるため、第１ガス分配空間９が露出可能となる構成となっている。上記構成により、メンテナンス性が向上し、特に、ガスシャワープレート２内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。従来の特許文献３に記載の構造によると、ロウ付等により接合しているため、内部の完全な洗浄は不可能である。穴が小さく（φ０．６ｍｍ）、洗浄液が十分に流れ難い、よどみができるため、異物がたまる可能性が高い。
【００８２】
なお、本実施の形態では、シャワープレート３がＯリング２２ｂによって封止されて取り外し可能な構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。他の機構によって、シャワープレート３をシャワープレート２から取り外し可能に構成してもよい。
【００８３】
他の構成としては、『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』(ＩＣＦフランジ、コンフラットフランジとも言われる)によって、シャワープレート３をシャワープレート２から取り外し可能に構成することができる。一般的に真空封止可能なフランジ型式により、取り外し可能に構成することができる。
【００８４】
『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』は、バリアン社が超高真空用のフランジとして開発し、超高真空の標準フランジのように使われている。日本では日本真空協会が日本真空協会規格のJVIS003「真空装置用ベーカブルフランジの形状・寸法」に名称を「ナイフエッジ型メタルシールフランジ」と称して寸法図を参考図面として記述している。一方、ISO規格は現在規格制定中であり、ISO/CD3669ベーカブルフランジとしてドラフト段階で検討が進んでいる。
【００８５】
なお、ISOで規格化しようとしているベーカブルフランジはナイフエッジ型、中空メタル"Ｏ"リング型、メタル"Ｃ"リングなど他のタイプのシール機構も含め、外形寸法、ボルト数、シール機構部の寸法などを規格化しようとしている。
【００８６】
ナイフエッジ型メタルシールフランジは、内側に先の尖ったエッジが付いており、通常は銅製のガスケットを挟んで塑性変形させることによってシールする、全金属製の継手である。このようなナイフエッジ型メタルシールフランジの構成は、例えば、特開２００３−２９４１４６号公報に開示されている。
【００８７】
また、シャワープレート３の上方プレート８は、Ｏリング２２ｃによって封止されており、取り外しが可能であるため、ガス分配空間１０が露出可能となる構成となっている。上記構成によれば、ガス分配空間１０が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、ガス分配空間１０、ガス流路４ｂ内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、シャワープレート３の上方プレート８がＯリング２２ｃによって封止されて取り外し可能な構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。他の機構によって、上方プレート８をベース７から取り外し可能に構成してもよい。例えば、上述した『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』により、上方プレート８をベース７から取り外し可能に構成することができる。
【００８９】
また本実施の形態では、ガス分配空間９、１０が反応室１９の上側に設けられた構成を示したが、本発明はこれに限定されない。逆に、反応室が上方にあり、下方にあるガス分配空間側からシャワーを吹き上げるように、装置をさかさまに構成してもよい。後述する他の実施の形態においても同様である。
【００９０】
また、本実施の形態では、ガス導管５の先端が、ガス流路４ａの途中まで挿入されて、ガス導管５の先端の前方においてガス流路４ａの内壁により混合室１２が形成されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。ガス導管５の先端と壁面２６とが同一平面上にあるように構成しても良いし、ガス導管５の先端が壁面２６から被処理基板１５に向かって突出するように構成してもよく、これらの場合は混合室１２は形成されない。後述する他の実施の形態においても同様である。
【００９１】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る気相成長装置１ａの構成を示す断面図である。前述した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００９２】
前述した実施の形態１の気相成長装置１と異なる点は、シャワープレート２とシャワープレート３との間に昇降機構１３を設けた点である。昇降機構１３は、ベローズによって構成されている。「ベローズ（Ｂｅｌｌｏｗｓ）」とは、金属で製作した筒状のものにひだを設け、伸縮性・気密性・バネ性を持たせたもの言う。つまり、「ベローズ」は「伸縮管」であるということができる。
【００９３】
昇降機構１３は、ガス導管５の先端とガス流路４ａとによって形成されて第１ガスと第２ガスとが混合される混合室１２の容積を調整するために、ガス導管５の長手方向に沿ってガス導管５とガス流路４ａとを相対的に昇降させるように構成されている。昇降機構１３がシャワープレート２とシャワープレート３とをガス導管５の長手方向に沿って相対的に昇降させる例を図５は示しているが、本発明はこれに限定されない。昇降機構１３は、ガス導管５とシャワープレート３とをガス導管５の長手方向に沿って相対的に昇降させるように構成してもよい。
【００９４】
このように、シャワープレート２とシャワープレート３との接合を、昇降機構１３を介して行うことができる。上記構成によると、シャワープレート３の位置を昇降機構１３のベローズの屈曲を利用し、可変することが可能となる。また、図示しない駆動機構によって、自動駆動させることも可能である。
【００９５】
上記構成によれば、混合室１２の大きさを変化させることが可能となり、原料ガス混合性が向上し、被処理基板１５の面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板１５の表面反応の制御性を向上させることができる。つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。また、成膜中に混合室１２の大きさを可変することが可能となる。このため、１回の成膜で、反応ガス流量や、被処理基板１５の温度が変わる複数の膜を成長させる場合においても、それぞれの条件に最適な混合室１２の大きさを設定できる。その結果、最適な単膜を積層することが可能となり、高品質の多層膜を成膜することが可能となる。
【００９６】
さらに、ガス導管５とガス流路４ａとの相対位置移動により、ガス導管５のガス流路４ａからの突出程度、被処理基板１５へのガス導管５の先端からの距離、ガス流路４ａの出口からの距離が変わりうるので、膜質や成長速度の変更が可能となる。
【００９７】
シャワープレート２の天面とシャワープレート３の底面との間に、ベローズ（昇降機構１３）を溶接もしくはフランジ接続にて設置することで、ガス分配空間９は、外部（大気）から隔離され、内部を気密に保つことが可能となり、かつ、シャワープレート３の高さ位置は、ベローズ（昇降機構１３）の屈曲を利用して調整可能に構成できる。シャワープレート３の高さ位置の駆動は、ボールネジ、エアシリンダ、高さ調整ボルトなど様々な方法で駆動可能である。
【００９８】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る気相成長装置に設けられたガス供給部の構成を示す拡大断面図である。ガス導管５ａの流路出口２７ａの反対端の外周には、雄ネジ加工が施してある。ガス導管５ａに形成された雄ネジの流路出口２７ａ側には、フランジ４０が形成されている。
【００９９】
下方プレート３４ａに形成された貫通穴４１には、ガス導管５ａの雄ネジに対応する雌ネジ加工が施してあり、更に、ザグリ穴４２が、フランジ４０に対応するように形成されている。このように、ガス導管５ａは、ネジ構造によって、下方プレート３４ａに固定することが可能となる。更に、フランジ４０を設けることによって、ガス導管５ａの突出長さＤを正確に規定することが可能である（フランジ４０が無いと、ネジの締め込み具合に応じて突出長さＤが変化してしまう）。更に、下方プレート３４ａのザグリ穴４２に、前記フランジ４０を挿入することで、ガス分配空間９に余分な突起を生じることが無く、ガス分配空間９内の流れを乱すことが無い。また、ネジ部を通じて、第１ガスと第２ガスとが拡散し混合する可能性もあるため、ネジ部には、グラファイトシートを挟み、封止構造をとることもできる。また、グラファイトシート以外に、白金薄膜シート等の原料ガスに対して耐食性を有する金属薄膜シートも使用可能である。
【０１００】
但し、フランジ４０の高さが、ガス分配空間９内の流れを乱さない程度の突起であれば、ザグリ穴４２を設けることは必須では無い。
【０１０１】
上記構成によれば、ガス導管５ａは、下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能な構成になっており、ガス導管５ａの突出長さＤを変えることによって、混合室１２の大きさを変えることが可能である。実施の形態２に記載の方法によっても、ガス導管５ａの位置を変えることが可能であるが、ガス分配空間９の大きさも可変となるため、条件によっては、均一なシャワープレートからの反応ガス供給が出来ない場合がある（ガス分配空間９が極端に狭くなるような条件のとき）。そのような場合、ガス導管５ａを取り外し可能な構成としていることで、本体毎に再製作する必要がなく、ガス導管５ａの変更のみで調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができる。
【０１０２】
また上記構成によれば、第二ガス流路出口２７ａの直径の変更が容易となる。例えば、基板保持部材１６上に設置された複数の被処理基板１５の内、外周側の被処理基板１５の膜厚が中央部と比べて異なった場合、通常は、基板保持部材１６上の温度分布を変化させ（外周側に配置された被処理基板１５の温度を上げるもしくは下げる）、気相の温度を変えることで、均一な膜を成膜する。しかし、温度を変えると、成膜組成も変わってしまう。そこで、被処理基板１５に供給される反応ガスの流速を変化させて調整することが考えられるが、シャワープレート方式の場合、流量を変更することによって、全体の流速が変化してしまうため、エリア毎の流速調整は、穴径を変化させたシャワープレートを作り直す必要があった。
【０１０３】
しかし、ガス導管５ａを取り外して交換可能とすることで、様々な穴径を有するガス流路４ｂを容易に形成することが可能である。また、ガス流路出口２７ａの外径、つまり、ガス導管５ａの外径を変更することで、ガス流路４ａの断面積も変えることが可能であり、エリア毎に細かな流速調整が可能である。以上のことから、様々な条件の成膜に対応した気相成長装置とすることができる。
【０１０４】
また、ガス流路４ｂの一部において、附加化合物が発生し、ガス流路４ｂ内の壁面に附加化合物が付着し、流路出口２７ａが詰まった場合でも、全体を洗浄することなく、詰まった箇所のガス流路４ｂ（ガス導管５ａ）のみを交換することが可能である。そのため、装置のメンテナンス時間も大幅に短縮することが可能であり、装置の稼働率向上を図ることも可能である。
【０１０５】
本実施の形態では、ガス導管５ａにネジを形成することによって、下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能に構成する例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。他の機構によってガス導管５ａを下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能に構成してもよい。
他の機構としては、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ガス導入管５ａの上部に、フランジ４０を設け、すきまばめ、中間ばめ、しまりばめ等の『はめあい』によって、取り外し（着脱）可能に構成することができる。しかし、すきまばめ、中間ばめの場合は、取り外しが容易である点で好ましい。しまりばめの場合は、ガス圧力等によって、予期できない外れや位置ズレが発生するおそれが無い点で好ましい。
更に、第１ガス流路４ａの直径をｄ１、フランジ４０の直径をｄ２とすると、その関係は、ｄ１＞ｄ２となるように構成されている。ｄ１＜ｄ２であった場合、シャワープレート２と、シャワープレート３を分離しなければ、ガス導管５ａを交換することは不可能であるが、ｄ１＞ｄ２であるため、シャワープレート２と、シャワープレート３を組付けた状態で、反応室１９側より、ガス導管５ａを第一ガス流路出口２５を通じて、ネジ部を外し、取り出し、再度、締結することができる。
上記構成により、Ｏリング等の真空封止部の取外しが不要で、メンテナンス性が向上する。また、真空封止部を取外すと、リークの危険性が増し、必ずリークチェックを行う必要があり、稼働率低下を招くが、その心配がなくなる。
また、ガス導管５ａの外径は、ネジ部より大きくしても、小さくしてもよく、第１ガス流路４ａの直径ｄ１以下であれば、自由に設定することができるため、流速や流量等の成長条件が広くなり、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件が可能となる。
図７（ａ）に示すように、ガス導管５ａの先端部（反応室１９側）には、凹部５１が形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、凸部５２を形成しても良い。このように、凹部５１や凸部５２を形成することで、反応室１９側より、治具を挿入して、ガス導管５ａの回転拘束が可能となるので、容易にガス導管５ａの交換が可能となる。
また、図８（ｂ）にガス導管５ａの交換治具５３を示す。交換治具５３には、ガス導管５ａのガス流路４ｂへ挿入される円柱状の治具挿入部５４が設置され、ガス導管５ａの先端部（反応室１９側）の凹部５１と嵌合する治具突起部５５が治具挿入部５４の根元に設置されている。上記構成によると、ガス導管５ａを交換する際、ガス導管５ａのガス流路４ｂへ挿入される治具挿入部５４によって、ガス導管５ａが落下する恐れが無くなる。また、凹部５１と治具突起部５５が勘合することによって、回転拘束を行い、ネジ部の回転を行うことができる。また、交換治具５３の外径ｄ３を第１ガス流路４ａの直径をｄ１と略等しく設定することで、ガス導管５ａに対して平行に挿入することが容易となり、ガス導管５ａに余分な力をかけることなく取外しができる（ガス導管５ａは非常に細くなるため、曲がりが発生する可能性がある。また、ネジ部に応力がかかると、かじりの原因となり、取外しが困難となる。かじりやすいのは、真空部品であり、また反応ガスが流れる箇所であるため、不純物の混入を防止するため、油（グリース）は使用することができず、非常にクリーンに洗浄されているためである）。
また、凹部５１と治具凸部５５の凹凸関係は逆でも良いし、回転拘束ができれば、１箇所でも２箇所でもそれ以上でも良い。
【０１０６】
ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、メンテナンスしにくくなる。反応室１９は、通常のメンテナンスで開放することはあるが、ガス分配空間１０は、基本的に開放する機会がないので、ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、わざわざ開放する必要があり、稼働率が低下する。
【０１０７】
ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、ガス導管５ａのノズル径もガス導管５ａのネジ径以下に制限される為、流速や流量等の成長条件が制限され、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件の最適化が難しくなる。また、ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、ガス供給室にノズルが突出するため乱流が発生するという問題が生じる。
【０１０８】
ガス導管５ａの反応室側からの着脱が可能になると、Ｏリング等の真空封止部の取外しが不要になり、メンテナンス性が向上する（真空封止部を取外すと、必ずリークチェックを行う必要があり、稼働率低下を招く。また、リークの危険性が増す）。
【０１０９】
ガス導管５ａの外径がネジ径以下に制限されると、ガス流路４ａに制限ができる。そのため、流速や流量等の成長条件が制限され、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件の最適化が難しくなる。
【０１１０】
ガス導管５ａを交換して変更することができると、混合室１２の形成の有無にかかわらず、ガス導管５ａを交換するだけで、被処理基板１５に到達するガスの状態を調整することが可能になる。調整可能になるガスの状態は、被処理基板１５近傍におけるガス混合比率とガス混合程度とガス反応程度とガス反応速度とガス量とガス主流方向と乱流の有無及び程度とを含む。
【０１１１】
また、混合室１２が形成される場合は、混合室１２の大きさを調整することができるばかりでなく、下記の調整が可能になる。例えば、長さが同じガス導管５ａであれば、その先端から前方の空間（混合室１２）の大きさは同じになるが、図６に示す先端全面開口の寸胴型ガス導管（ガス導管５ａ）であっても、その内径の違いに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。また、図９（ａ）に示すような先端の閉面に開口があるタイプでは、その開口の配置、大きさ及び数に応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。また、ガス導管の噴出しの方向が、図９（ａ）に示すように端面から噴出す方向であるか、図９（ｂ）に示すように側面から噴出す方向であるかに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。さらに、図９（ａ）に示す先端の閉面に開口が形成されているタイプのガス導管であっても、先端の閉面に対して垂直に開口するのか、斜めに開口するのかに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。
図９（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられたガス導管５ａの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は他のガス導管５ｂの構成を示す斜視図である。図９（ａ）に示す構成によると、ガス導管５ａの流路出口に複数個の孔６を形成することによって、第２ガスの噴出しをより広げることが可能となり（パイプ形状の場合、直線状に噴出すのみである）、各孔６からの第二ガス流出速度は、従来よりも増加し、かつ、狭ピッチの細かな噴出しが実現できる。このため、流出した第二ガスの乱れが増加し、より、第一ガスとの混合性が向上する。また、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【０１１２】
図９（ｂ）の構成によると、ガス導管５ｂの側面に複数個の孔６を形成することによって、第２ガスを側面方向の第１ガス流路へ噴出させる。各孔６からの第２ガス流出速度は従来よりも増加し、かつ、第１ガス流路へ噴出させるため、流出した第２ガスと第１ガスとの混合性がより向上する。
【０１１３】
（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に係る気相成長装置１ｂの構成を示す断面図である。気相成長装置１ｂは、ＭＯＣＶＤ装置の第４の実施形態である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置である。
【０１１４】
シャワープレート３の中間プレート４３と下方プレート３４とは、多数の貫通穴が形成されている。中間プレート４３と下方プレート３４とは、距離Ｅを保って配設されており、各貫通穴には、ガス流路４ｂとなるガス導管５が、気密を保つように、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって接合されている。また、中間プレート４３もしくは下方プレート３４に直接、ガス導管５を切削加工等により形成してもよい。
【０１１５】
上記のように構成することで、ガス流路４ｂを温度調整することが可能な、冷媒流路４４が形成される。
【０１１６】
上記構成によって、加熱ヒータ１７（図１）からの加熱によるガス流路出口２７の温度上昇に関わらず、所望の温度に調整することができる。
【０１１７】
また、上記構成の場合、ガス流路出口２７と冷媒流路４４とが離れているため、ガス流路４ｂの温度制御性を向上させるために、熱伝導率の高い材料を用いて、ガス導管５を構成することが望ましい。
【０１１８】
例えば、通常は、ＳＵＳ３０４（熱伝導率１６Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＳＵＳ３１６Ｌ等が用いられるが、モリブデン（熱伝導率１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、タングステン（熱伝導率１７８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、白金（熱伝導率７１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ニッケル（熱伝導率９０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ））などを用いることができる。
【０１１９】
また、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉、シャワープレートおよびその他の部材の形状が図１に示す形状に限定されないことは言うまでもない。
【０１２０】
上述の実施の形態１〜４において、第一ガスとして、III族ガス、第二ガスとしてＶ族ガスを原料ガスとすることができる。
【０１２１】
なお、本発明において、III族元素としては、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、III族元素を含むIII族系ガスとしては、たとえば、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）などの有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１２２】
Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１２３】
上記構成によれば、第二ガス流路出口２７は、加熱ヒータからの熱を直接受け、冷媒流路１１によって温度調整される第一ガス流路４ａに比べ、温度上昇しやすい構造である。Ｖ族系ガスは有機ガスが用いられ、高温にしないと、分子が分解して成長膜にドープされない、あるいは分子のままドープされてホールを形成してしまい、膜質や成長レートの劣化に繋がる。そのため、第二ガス流路４ｂをＶ族系ガスとすることで、予め反応炉１４以外で加熱し、活性化されたガスを反応炉１４に供給することにより、被処理基板１５の温度が、III族系ガスが熱分解しない程度の温度を保ったまま、気相反応を進行させることが可能となる。
【０１２４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かってガスを供給するために設けられたシャワープレートを備えた気相成長装置及び気相成長方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】実施の形態１に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図２】上記ガス供給部の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】図２に示すＡ部の拡大断面図である。
【図４】上記気相成長装置に設けられたガス供給部を被処理基板側から見た平面図である。
【図５】実施の形態２に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態３に係る気相成長装置のガス供給部の構成を示す拡大断面図である。
【図７】（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられた他のガス導管の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はさらに他のガス導管の構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、上記ガス導管の交換冶具の構成を説明するための斜視図である。
【図９】（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられたガス導管の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は他のガス導管の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１１】従来の気相成長装置の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 気相成長装置
２ シャワープレート（第１シャワープレート）
３ シャワープレート（第２シャワープレート）
４ａ、４ｂ ガス流路
５ ガス導管
６ 孔
７ ベース
８ 上方プレート（カバープレート）
９ ガス分配空間（第１ガス分配空間）
１０ ガス分配空間（第２ガス分配空間）
１１ 冷媒流路
１２ 混合室
１３ 昇降機構
１４ 反応炉
１５ 被処理基板
１６ 基板保持部材
５１ 凹部
５２ 凸部
５３ 交換治具
５４ 治具挿入部
５５ 治具突起部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かってガスを供給するために設けられたシャワープレートを備えた気相成長装置及び気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードおよ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）法及びＭＯＣＶＤ装置が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを不活性ガスとともに成長室内に導入して加熱し、所定の被処理基板上で気相反応させることにより、その被処理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。
【０００４】
図１１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９２から、反応炉９１の内部の成長室に反応ガスおよび不活性ガスを導入するためのガス配管９３が接続されており、反応炉９１の内部の成長室８１の上部には成長室に反応ガスおよ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９０がガス導入部として設置されている。また、反応炉９１の成長室８１の下部中央にはアクチュエータ（図示せず）によって回転自在の回転軸８２が設置され、回転軸８２の先端にはシャワープレート９０と対向するようにしてサセプタ９８が取り付けられており、サセプタ９８の下部にはサセプタ９８を加熱するためのヒータ９９が取り付けられている。また、反応炉９１の下部には反応炉９１の内部の成長室８１内のガスを外部に排気するためのガス排気部９４が設置されており、ガス排気部９４は、パージライン９５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９６に接続されている。
【０００５】
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、化合物半導体結晶の成長の際には、サセプタ９８に基板９７が設置され、その後、回転軸８２の回転によりサセプタ９８が回転させられる。そして、ヒータ９９の加熱によりサセプタ９８を介して基板９７が所定の温度に加熱され、シャワープレート９０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉９１の内部の成長室８１に反応ガスおよび不活性ガスが導入される。
【０００６】
複数の反応ガスを供給して被処理基板上で反応せしめ、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、シャワープレートに多数設けられているガス吐出口から被処理基板に反応ガスを吹き出させる方法がとられていた。しかし、上記方法によると、シャワーヘッド内で混合したガスの気相反応が生じてしまい、シャワープレート内部の汚染や、目詰まりが発生する問題が生じる。
【０００７】
この問題を解決するため特開平５−１４４７５３号公報（特許文献１）では、ガス導入口に多くの通し穴を有する整流板を設け、複数種類のガスを別々にこれらの通し穴に通して、原料ガスを別々に整流板から下方に吹き出す方法が示されている。反応ガスが分離した状態で供給されるため、シャワーヘッド内で気相反応が生じることはない。
【０００８】
また、別の方法として、特開平５−１５２２０８号公報（特許文献２）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示されている。反応ガスが分離した状態で供給されるため、シャワーヘッド内で気相反応が生ずることはない。
【０００９】
ＭＯＣＶＤ法によって所望の薄膜を被処理基板上へ形成する際、反応性を有する原料ガスによって被処理基板表面で生起される表面反応は、極めて複雑なメカニズムを有することが知られている。すなわち、被処理基板の温度、原料ガスの温度、流速、圧力、原料ガスに含まれる活性化学種の種類、反応系における残留ガス成分等、多数のパラメータが、前記表面反応に寄与するため、ＭＯＣＶＤ法でこれらのパラメータを制御して所望の薄膜を形成させることは極めて難しいとされる。上記の従来技術は、被処理基板から遠く離れて反応ガスを混合することを伴い、反応ガスが被処理基板に到達する前に反応し、被処理基板表面反応の制御が困難となり、成長膜の品質低下を招く場合がある。
【００１０】
この問題を解決するために特開平８−９１９８９号広報（特許文献３）では、複数の反応ガスを個別のシャワープレート導管によって分離した状態で成長室へ供給し、それぞれのシャワープレート導管を冷却する冷却チャンバが成長室側に設けられる方法が示されている。シャワープレート表面を冷却チャンバによって冷却することが可能となるため、シャワーヘッドと被処理基板間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。
【００１１】
また、特開２００６−２１６８３０号公報（特許文献４）では、円盤体のガス供給部上部にガス導入口とガス分配空間を設け、下面に全域に亙って複数のガス噴出口を設け、ガス分配空間とガス噴出口を連通するガス通路を基板保持台の軸線Ｙと平行に設け、円盤体の外周に冷媒ジャケットを形成し、円盤体の中心部から半径方向に延びる冷媒集合通路を設けて、冷媒ジャケットから冷媒集合通路へ連通する冷媒通路を、上下段に、且つガス通路を四囲から冷却するよう配設している。ガス通路が冷媒通路によって四囲から冷却されるので原料ガス及びキャリアガスが充分に冷却される。ガス噴出口から噴出した各種原料ガスは基板保持台上に供給され、原料ガス同士が基板到達前に混合し附加化合物が発生するのを防ぐことができ、原料利用効率が向上し、成長膜の品質の低下を防止することができる。
【００１２】
また、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かって第１ガスを供給するために設けられた第１シャワープレートと、第１シャワープレートに対して基板保持部材の反対側に配置されて被処理基板に向かって第２ガスを供給するために設けられた第２シャワープレートとを備えた気相成長装置が知られている（特許文献５及び特許文献６）。
【特許文献１】特開平５−１４４７５３号公報（平成５年６月１１日公開）
【特許文献２】特開平５−１５２２０８号公報（平成５年６月１８日公開）
【特許文献３】特開平８−９１９８９号広報（特許第３４４２５３６号明細書）（平成８年４月９日公開）
【特許文献４】特開２００６−２１６８３０号広報（平成１８年８月１７日公開）
【特許文献５】特開２０００−１４４４３２号公報（平成１２年５月２６日公開）
【特許文献６】特開２００４−１５８４９９号公報（平成１６年６月３日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
被処理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、基板上で均等な濃度分布で反応ガスを気相反応させることが必要である。また、原料ガス同士が基板到達前に混合し附加化合物が発生するのを防ぎ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率の向上が必要である。
【００１４】
特許文献１、２のように反応ガスを分離した状態で成長室へ供給すると、シャワーヘッド内で気相反応が生ずることは無くなるが、被処理基板から遠く離れて反応ガスを混合することを伴い、反応ガスが被処理基板に到達する前に反応し、被処理基板表面反応の制御が困難となり、成長膜の品質低下を招く場合があるという問題がある。
【００１５】
特許文献３では、シャワープレート表面を冷却チャンバによって冷却することが可能となるため、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。しかし、特許文献３のシャワーヘッド構造においては、各反応ガスの流出口は、分離されており、成長室へ導入された後、混合するため、各ガスの混合性に限界があり、特に、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離が小さくなるほど、混合領域が十分でなく、原料ガスに濃度分布が生じる可能性がある。その為、被処理基板上の成長膜に、膜厚分布や組成分布が生じる可能性や、原料利用効率の向上に限界があるという問題がある。
【００１６】
特許文献４では、ガス通路を四囲から冷却されるため、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離を近づけることが可能となり、加熱された被処理基板に近接した位置で気相反応を生じさせることができ、被処理基板表面反応の制御性、原料利用効率を向上させることができる。しかし、特許文献４のシャワーヘッド構造においては、キャリアガスは、ほぼ全面に渡りシャワー状に供給することが可能であるが、各原料ガス及びドーパントガスは、スペーサブロックから径方向に直線状に供給することになる。各ガスの混合性に限界があり、特に、シャワーヘッドと被処理基板との間の距離が小さくなるほど、混合領域が十分でなく、原料ガスに濃度分布が生じる可能性がある。その為、被処理基板上の成長膜に、膜厚分布や組成分布が生じる可能性や、原料利用効率の向上に限界があるという問題がある。
【００１７】
特許文献５及び特許文献６に記載の構成では、ガス導管の先端とガス流路とによって形成されて第１ガスと第２ガスとが混合される混合室の容積を調整するためには、ガス導管が設けられた第２シャワープレートの本体毎に再び製作する必要が生じ、作業が煩雑であり、コストが増大するという問題がある。
【００１８】
また特許文献５に記載の構成では、ガス導管は、成長室の反対側から着脱する必要があるが、成長室の反対側からガス導管を着脱しようとすると、メンテナンスしにくくなるという問題が生じる。成長室は、通常のメンテナンスで開放することはあるが、反対側のガス分配空間は、基本的に開放する機会がないので、ガス導管をガス分配空間側から着脱しようとすると、わざわざ開放する必要が生じ、稼働率が低下するという問題がある。また、ガス導管をガス分配空間側から着脱しようとすると、ガス供給室にノズルが突出するため乱流が発生するという問題が生じる。
【００１９】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、基板到達前に附加化合物が発生するのを防ぎ、シャワープレートより成長室へ供給する反応ガスの混合性を向上させ、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができ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。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る気相成長装置は、反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置されて前記被処理基板に向かって第１ガスを供給する第１シャワープレートと、前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置されて前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する第２シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、前記第１シャワープレートには、前記被処理基板に向かって前記第１ガスが流れるガス流路が形成されており、前記第２シャワープレートは、前記第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有しており、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
この特徴により、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられるので、ガス導管を第２シャワープレートから取り外すことができ、ガス導管の長さを変えることによって、混合室の大きさを変えることが可能である。ガス導管を取外し可能な構成としていることで、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができる。
【００２２】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の出口には、複数の孔が形成されていることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、第２ガスの流路となるガス導管の出口に、複数孔を設けたことによって、第２ガスの噴出しをより広げることが可能となるため、(パイプ形状の場合、直線状に噴出すのみである)より、第１ガスと第２ガスとの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとの間に前記第１ガスを前記ガス流路に供給する第１ガス分配空間が形成され、前記第２シャワープレートは、前記第１ガス分配空間が露出するように前記第１シャワープレートから取り外し可能に設けられていることが好ましい。
【００２５】
上記構成によれば、第１ガス分配空間が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、シャワープレート内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる（従来の構造によると、ロウ付等により接合しているため、内部の完全な洗浄は不可能である。穴が小さく（φ０．６ｍｍ）、洗浄液が十分に流れ難く、よどみができるため、異物がたまる可能性が高い。）。
【００２６】
本発明に係る気相成長装置では、前記第２シャワープレートは、ベースとカバープレートとを有し、前記ベースと前記カバープレートとの間に第２ガス分配空間が形成され、前記カバープレートは、前記第２ガス分配空間が露出するように前記ベースから取り外し可能に設けられていることが好ましい。
【００２７】
上記構成によれば、第２ガス分配空間が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、シャワープレート内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。
【００２８】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の温度を調整する冷媒を流す冷媒流路が前記第２シャワープレートに形成されていることが好ましい。
【００２９】
上記構成によれば、第２ガス流路を温度調整する冷媒流路が構成されることで、第２ガス流路の温度を可変することが可能となり、第２ガス温度をコントロールすることが可能となる。つまり、第１ガスと第２ガスとを個別に温度調整することができる。これによって、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００３０】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１ガスは、III族ガスを含み、前記第２ガスは、Ｖ族ガスを含むことが好ましい。
【００３１】
上記構成によれば、第２ガスの流路となるガス導管の出口は、ヒータからの熱を直接受け、冷媒流路によって温度調整される第１ガス流路に比べ、温度上昇しやすい構造である。Ｖ族系ガスは有機ガスが用いられ、高温にしないと分子が分解して成長膜にドープされない、あるいは分子のままドープされてホールを形成してしまい、膜質や成長レートの劣化に繋がる。そのため、第２ガスの流路となるガス導管をＶ族系ガスとすることで、予め反応室以外で加熱し、活性化されたガスを反応室に供給することにより、基板温度をIII族系ガスが熱分解しない程度の温度を保ったまま、気相反応を進行させことが可能となる。
【００３２】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の長手方向に沿って前記ガス導管と前記ガス流路とを相対的に昇降させる昇降機構を設けることが好ましい。
【００３３】
上記構成によれば、第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することが可能となり、原料ガス混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。また、成膜中に混合室の大きさを可変することが可能となり、１回の成膜で反応ガス流量や、被処理基板温度が変わる複数の膜を成長させる場合においても、それぞれの条件に最適な混合室の大きさを設定できるため、最適な単膜を積層することが可能となり、高品質の多層膜を成膜することが可能となる。
【００３４】
さらに、相対位置移動により、ガス導管の流路からの突出程度、被処理基板へのガス導管先端からの距離、第１流路出口からの距離が変わりうるので、膜質や成長速度の変更が可能となる。
【００３５】
本発明に係る気相成長装置では、前記昇降機構は、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させることが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、簡単な構成によって第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することができる。
【００３７】
本発明に係る気相成長装置では、前記昇降機構は、前記ガス導管と前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させることが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、簡単な構成によって第１ガスと第２ガスとの混合室の大きさを可変することができる。
【００３９】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートと嵌合するフランジを有し、前記ガス導管の前記フランジの外径は、前記ガス流路の内径よりも小さいことが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、反応炉側からガス導管を交換することができる。
【００４１】
本発明に係る気相成長装置では、前記ガス導管の先端には、前記ガス導管の交換冶具と嵌合する溝または突起が形成されていることが好ましい。
【００４２】
上記構成によれば、ガス導管を容易に回転させて交換することができる。
【００４３】
本発明に係る気相成長装置では、前記第１シャワープレートは、前記ガス導管の先端の前方において前記ガス流路の内壁により形成されて前記第１ガスと前記第２ガスとを混合する混合室を有していることが好ましい。
【００４４】
上記構成によれば、混合室により、原料ガス混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００４５】
本発明に係る気相成長方法は、反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置された第１シャワープレートであって、前記被処理基板に向かって第１ガスが流れるガス流路が形成された第１シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置された第２シャワープレートであって、第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有する第２シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する気相成長方法であって、前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする。
【００４６】
この特徴により、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられるので、ガス導管を第２シャワープレートから取り外すことができ、ガス導管の長さを変えることによって、混合室の大きさを変えることが可能である。ガス導管を取外し可能な構成としていることで、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した方法とすることができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明に係る気相成長装置は、以上のように、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられているので、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができるという効果を奏する。
【００４８】
本発明に係る気相成長方法は、以上のように、ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられているので、本体毎再製作する必要なく、第２ガスの流路となるガス導管の変更のみで混合室の大きさを調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の一実施形態について図１ないし図８に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る気相成長装置１の構成を示す断面図である。気相成長装置１は、縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置によって構成されている。気相成長装置１は、反応炉１４を備えている。反応炉１４の中には、被処理基板１５を載置した円盤状の基板保持部材１６が設けられている。基板保持部材１６の下側には、軸状の回転伝達部材２０が結合されており、図示しない駆動機構により、被処理基板１５の表面に垂直な回転伝達部材２０の周りに回転可能に基板保持部材１６が設けられている。基板保持部材１６の下側には、基板保持部材１６を加熱する加熱ヒータ１７がさらに設けられている。
【００５１】
反応炉１４の上側には、略円筒形状をしたガス供給部１８が設けられている。ガス供給部１８は、シャワープレート２とシャワープレート３とを有している。シャワープレート２は、反応炉１４内の被処理基板１５を載置する基板保持部材１６に対向して配置されて被処理基板１５に向かって第１ガスを供給するために設けられている。シャワープレート３は、シャワープレート２に対して基板保持部材１６の反対側に配置されて被処理基板１５に向かって第２ガスを供給するために設けられている。
【００５２】
図２は気相成長装置１に設けられたガス供給部１８の詳細な構造を示す断面図であり、図３は図２に示すＡ部の拡大断面図である。図４は、気相成長装置１に設けられたガス供給部１８を被処理基板１５側から見た平面図である。
【００５３】
シャワープレート２には、被処理基板１５に向かって第１ガスが流れる複数個のガス流路４ａが、所定の間隔を空けて配置されて形成されている。シャワープレート２は、基板保持部材１６に対向する壁面２６を有しており、壁面２６には各ガス流路４ａの流路出口２５が形成されている。壁面２６と反応炉１４の内壁とによって反応室１９が形成されている。反応炉１４の側壁の基板保持部材１６よりも低い位置には、ガス排出口２１が形成されている。反応炉１４とシャワープレート２との間には、反応室１９を封止するためのＯリング２２ａが設けられている。
【００５４】
第１ガスをガス流路４ａに供給するためにシャワープレート２とシャワープレート３との間にガス分配空間９が形成されている。シャワープレート３は、ガス分配空間９が露出するようにシャワープレート２から取り外し可能に設けられている。シャワープレート２とシャワープレート３との間に、ガス分配空間９を封止するためのＯリング２２ｂが設けられている。シャワープレート２の周縁には、ガス分配空間９に第１ガスを供給するための複数のガス導入口２３が設けられている。
【００５５】
シャワープレート３は、被処理基板１５に向かって第２ガスを流すために設けられてシャワープレート３から突出して各ガス流路４ａの内部に挿入された複数のガス導管５を有している。ガス導管５には、第２ガスが流れるガス流路４ｂが形成されている。
【００５６】
シャワープレート３は、ベース７と上方プレート８とを有している。ベース７と上方プレート８との間にガス分配空間１０が形成されている。上方プレート８は、ガス分配空間１０が露出するようにベース７から取り外し可能に設けられている。ベース７と上方プレート８との間には、ガス分配空間１０を封止するためのＯリング２２ｃが設けられている。上方プレート８には、ガス分配空間１０に第２ガスを供給するための第２ガス導入口２４が形成されている。
【００５７】
シャワープレート２には、ガス導管５の温度を調整する冷媒を流すための冷媒流路１１が、ガス流路４ａの周りを通って形成されている。
【００５８】
シャワープレート２には、第１ガスと第２ガスとが混合される混合室１２が、ガス導管５の先端の前方においてガス流路４ａの内壁により形成されている。
【００５９】
シャワープレート２は、基板保持部材１６に対向して設けられた下方プレート２９と、下方プレート２９と所定の間隔を空けて基板保持部材１６の反対側に設けられた上方プレート２８と、下方プレート２９及び上方プレート２８を貫通して設けられてガス流路４ａを形成するガス導管３０とを有している。
【００６０】
シャワープレート２には、第１ガスを導入する第１ガス導入口２３と、第１ガスをガス分配空間９に導く導入経路３１とが形成されたフランジ部３２が設けられている。ベース７と上方プレート８とは、その周縁において固定ネジ３９によってフランジ部３２に固定されている。
【００６１】
冷媒流路１１には、冷媒を各ガス流路４ａの周りに均等に供給するための冷媒調整リング３３が設けられている。ガス分配空間９には、第１ガスを各ガス流路４ａに均等に供給するための第１ガス調整リング３６が設けられている。ガス分配空間１０には、第２ガスを各ガス導管５に均等に供給可能とするための第２ガス調整リング３５が設けられている。
【００６２】
このように、気相成長装置１においては、内部を大気側と隔離し、気密状態を保持する反応炉１４と、被処理基板１５を載置する基板保持部材１６と、被処理基板１５を加熱する基板加熱ヒータ１７と、基板保持部材１６と対向する位置に設けられて被処理基板１５に向けて複数の原料ガスを供給する複数のガス流路出口を有するガス供給部１８とによって、反応室１９を構成している。
【００６３】
基板保持部材１６は、回転伝達部材２０の一端に備え付けられており、回転伝達部材２０は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。
【００６４】
被処理基板１５の主表面に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）をガス供給部１８から反応室１９へ導入する。このとき加熱ヒータ１７により、基板保持部材１６を介して被処理基板１５が加熱され、被処理基板１５上での成膜化学反応が促進されることにより、被処理基板１５上に薄膜が形成される。被処理基板１５上を通過したガスは、ガス排出口２１より排出される。
【００６５】
次に、ガス供給部１８の構造を、より具体的に説明する。図１において、ガス供給部１８は、反応炉１４と、Ｏリング２２ａによって、気密状態を保持するよう封止されており、ガス供給部１８と反応炉１４とは取り外し可能なように構成されている。
【００６６】
ガス供給部１８には、第１ガス導入口２３と第２ガス導入口２４とが設置されており、それぞれ異なる原料ガスが供給される。
【００６７】
第１ガス、及び第２ガスが分離され、ガス分配空間９とガス分配空間１０とに、各ガスを独立に吐出するシャワープレート形状の複数のガス流路（第１ガス流路４ａ、第２ガス流路４ｂ）によって構成され、個々の第１ガス流路４ａ内に第２ガス流路４ｂが（同芯状に）内包されて配設され、第１ガス流路出口２５は、反応炉壁面２６に形成され、第２ガス流路出口２７は、第１ガス流路出口２５よりも、ガス供給源側、（つまり、被処理基板１５より遠い側）に構成され、配置されることにより、個々の第１ガスと第２ガスとの混合室１２を構成し、第１ガス流路４ａと反応炉壁面２６との間に、第１ガス流路４ａを温度調整する冷媒流路１１が構成される。
【００６８】
第１ガス流路の上方プレート２８と第１ガス流路の下方プレート２９とは、多数の貫通穴が形成され、距離Ａを保って配設されており、ガス流路４ａとなるガス導管３０が、気密を保つよう、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって貫通穴に接合されている。図３中には、ガス導管３０の両端を、それぞれ第１ガス流路の上方プレート２８と第１ガス流路の下方プレート２９とに接合する形状を示しているが、本発明はこれに限定されない。上方プレート２８、もしくは下方プレート２９に直接、ガス導管３０を切削加工等により形成してもよい。
【００６９】
上記のように構成することで、ガス流路４ａを温度調整することが可能な冷媒流路１１が形成される。
【００７０】
更に、第１ガス流路の上方プレート２８、下方プレート２９、及びガス導管３０によって構成された部材に、第１ガス導入流路３１、冷媒流路１１を形成した第１ガス流路のフランジ部３２が接合される。フランジ部３２は、ここでは別体としているが、上方プレート２８、下方プレート２９のいずれか、もしくは両方に形成しても良い。また、接合方法は、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等いずれの方法を用いても良い。
【００７１】
また、冷媒流路１１には、冷媒調整リング３３が配設されており、冷媒を均等に供給することを可能としている。冷媒調整リング３３には、冷媒を均等に供給可能とするための、穴が複数個形成されている。各穴の径は、冷媒を均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７２】
以上のように、構成された部材をシャワープレート２と呼ぶ。
【００７３】
第２ガス流路の下方プレート（ベース７）には、多数の貫通穴が設置され、複数のガス導管５が、気密を保つよう、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって接合されている。図３中には、第２ガス流路下方プレート（ベース７）へガス導管５を接合する形状を示しているが、本発明はこれに限定されない。第２ガス流路下方プレート（ベース７）に直接、ガス導管５を切削加工等により形成してもよい。
【００７４】
下方プレート２９（ベース７）と上方プレート８とは、距離Ｂを保って配設されており、Ｏリング２２ｃにより、取り外し可能状態で固定ネジ３９にて封止されている。以上のように構成することで、ガス分配空間１０が形成される。また、ガス分配空間１０には、調整リング３５が配設され、調整リング３５は、第２ガスを均等に供給可能とするための穴が複数形成されている。各穴の径は、第２ガスを均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７５】
以上のように、構成された部材をシャワープレート３と呼ぶ。
【００７６】
シャワープレート２上に、シャワープレート３を設置し、距離ｃのガス分配空間９を形成する。シャワープレート２と、シャワープレート３は、Ｏリング２２ｃによって気密を保つように固定される。
【００７７】
ガス分配空間９には、調整リング３６が配設され、調整リング３６は、第１ガスを均等に供給可能とするための、穴が複数形成されている。各穴の径は、第１ガスを均等に供給できるよう適宜調整されている。形状も、円形状でも良いし、矩形、多角形いずれでもよい。
【００７８】
ガス流路４ａ内に同芯状に内包されたガス流路４ｂのガス流路出口２７は、ガス流路出口２５と距離Ｌの位置に形成される。このように構成することで、ガス流路４ａ内に、第１ガスと第２ガスとの混合室１２が形成される。
【００７９】
上記のように構成することで、反応ガスの混合性が向上し、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【００８０】
また、冷媒流路１１が構成されることによって、被処理基板に到達する前に附加化合物が発生するのを防ぐことができる。
【００８１】
また、本実施の形態においては、シャワープレート３はＯリング２２ｂによって封止されており、取り外しが可能であるため、第１ガス分配空間９が露出可能となる構成となっている。上記構成により、メンテナンス性が向上し、特に、ガスシャワープレート２内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。従来の特許文献３に記載の構造によると、ロウ付等により接合しているため、内部の完全な洗浄は不可能である。穴が小さく（φ０．６ｍｍ）、洗浄液が十分に流れ難い、よどみができるため、異物がたまる可能性が高い。
【００８２】
なお、本実施の形態では、シャワープレート３がＯリング２２ｂによって封止されて取り外し可能な構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。他の機構によって、シャワープレート３をシャワープレート２から取り外し可能に構成してもよい。
【００８３】
他の構成としては、『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』(ＩＣＦフランジ、コンフラットフランジとも言われる)によって、シャワープレート３をシャワープレート２から取り外し可能に構成することができる。一般的に真空封止可能なフランジ型式により、取り外し可能に構成することができる。
【００８４】
『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』は、バリアン社が超高真空用のフランジとして開発し、超高真空の標準フランジのように使われている。日本では日本真空協会が日本真空協会規格のJVIS003「真空装置用ベーカブルフランジの形状・寸法」に名称を「ナイフエッジ型メタルシールフランジ」と称して寸法図を参考図面として記述している。一方、ISO規格は現在規格制定中であり、ISO/CD3669ベーカブルフランジとしてドラフト段階で検討が進んでいる。
【００８５】
なお、ISOで規格化しようとしているベーカブルフランジはナイフエッジ型、中空メタル"Ｏ"リング型、メタル"Ｃ"リングなど他のタイプのシール機構も含め、外形寸法、ボルト数、シール機構部の寸法などを規格化しようとしている。
【００８６】
ナイフエッジ型メタルシールフランジは、内側に先の尖ったエッジが付いており、通常は銅製のガスケットを挟んで塑性変形させることによってシールする、全金属製の継手である。このようなナイフエッジ型メタルシールフランジの構成は、例えば、特開２００３−２９４１４６号公報に開示されている。
【００８７】
また、シャワープレート３の上方プレート８は、Ｏリング２２ｃによって封止されており、取り外しが可能であるため、ガス分配空間１０が露出可能となる構成となっている。上記構成によれば、ガス分配空間１０が露出可能となる構成であるため、メンテナンス性が向上し、特に、ガス分配空間１０、ガス流路４ｂ内部に附加化合物が発生した場合や、異物混入があった場合においても、洗浄性が飛躍的に向上し、内部汚染を完全に除去できる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、シャワープレート３の上方プレート８がＯリング２２ｃによって封止されて取り外し可能な構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。他の機構によって、上方プレート８をベース７から取り外し可能に構成してもよい。例えば、上述した『ナイフエッジ型メタルシールフランジ』により、上方プレート８をベース７から取り外し可能に構成することができる。
【００８９】
また本実施の形態では、ガス分配空間９、１０が反応室１９の上側に設けられた構成を示したが、本発明はこれに限定されない。逆に、反応室が上方にあり、下方にあるガス分配空間側からシャワーを吹き上げるように、装置をさかさまに構成してもよい。後述する他の実施の形態においても同様である。
【００９０】
また、本実施の形態では、ガス導管５の先端が、ガス流路４ａの途中まで挿入されて、ガス導管５の先端の前方においてガス流路４ａの内壁により混合室１２が形成されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。ガス導管５の先端と壁面２６とが同一平面上にあるように構成しても良いし、ガス導管５の先端が壁面２６から被処理基板１５に向かって突出するように構成してもよく、これらの場合は混合室１２は形成されない。後述する他の実施の形態においても同様である。
【００９１】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る気相成長装置１ａの構成を示す断面図である。前述した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００９２】
前述した実施の形態１の気相成長装置１と異なる点は、シャワープレート２とシャワープレート３との間に昇降機構１３を設けた点である。昇降機構１３は、ベローズによって構成されている。「ベローズ（Ｂｅｌｌｏｗｓ）」とは、金属で製作した筒状のものにひだを設け、伸縮性・気密性・バネ性を持たせたもの言う。つまり、「ベローズ」は「伸縮管」であるということができる。
【００９３】
昇降機構１３は、ガス導管５の先端とガス流路４ａとによって形成されて第１ガスと第２ガスとが混合される混合室１２の容積を調整するために、ガス導管５の長手方向に沿ってガス導管５とガス流路４ａとを相対的に昇降させるように構成されている。昇降機構１３がシャワープレート２とシャワープレート３とをガス導管５の長手方向に沿って相対的に昇降させる例を図５は示しているが、本発明はこれに限定されない。昇降機構１３は、ガス導管５とシャワープレート３とをガス導管５の長手方向に沿って相対的に昇降させるように構成してもよい。
【００９４】
このように、シャワープレート２とシャワープレート３との接合を、昇降機構１３を介して行うことができる。上記構成によると、シャワープレート３の位置を昇降機構１３のベローズの屈曲を利用し、可変することが可能となる。また、図示しない駆動機構によって、自動駆動させることも可能である。
【００９５】
上記構成によれば、混合室１２の大きさを変化させることが可能となり、原料ガス混合性が向上し、被処理基板１５の面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板１５の表面反応の制御性を向上させることができる。つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。また、成膜中に混合室１２の大きさを可変することが可能となる。このため、１回の成膜で、反応ガス流量や、被処理基板１５の温度が変わる複数の膜を成長させる場合においても、それぞれの条件に最適な混合室１２の大きさを設定できる。その結果、最適な単膜を積層することが可能となり、高品質の多層膜を成膜することが可能となる。
【００９６】
さらに、ガス導管５とガス流路４ａとの相対位置移動により、ガス導管５のガス流路４ａからの突出程度、被処理基板１５へのガス導管５の先端からの距離、ガス流路４ａの出口からの距離が変わりうるので、膜質や成長速度の変更が可能となる。
【００９７】
シャワープレート２の天面とシャワープレート３の底面との間に、ベローズ（昇降機構１３）を溶接もしくはフランジ接続にて設置することで、ガス分配空間９は、外部（大気）から隔離され、内部を気密に保つことが可能となり、かつ、シャワープレート３の高さ位置は、ベローズ（昇降機構１３）の屈曲を利用して調整可能に構成できる。シャワープレート３の高さ位置の駆動は、ボールネジ、エアシリンダ、高さ調整ボルトなど様々な方法で駆動可能である。
【００９８】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る気相成長装置に設けられたガス供給部の構成を示す拡大断面図である。ガス導管５ａの流路出口２７ａの反対端の外周には、雄ネジ加工が施してある。ガス導管５ａに形成された雄ネジの流路出口２７ａ側には、フランジ４０が形成されている。
【００９９】
下方プレート３４ａに形成された貫通穴４１には、ガス導管５ａの雄ネジに対応する雌ネジ加工が施してあり、更に、ザグリ穴４２が、フランジ４０に対応するように形成されている。このように、ガス導管５ａは、ネジ構造によって、下方プレート３４ａに固定することが可能となる。更に、フランジ４０を設けることによって、ガス導管５ａの突出長さＤを正確に規定することが可能である（フランジ４０が無いと、ネジの締め込み具合に応じて突出長さＤが変化してしまう）。更に、下方プレート３４ａのザグリ穴４２に、前記フランジ４０を挿入することで、ガス分配空間９に余分な突起を生じることが無く、ガス分配空間９内の流れを乱すことが無い。また、ネジ部を通じて、第１ガスと第２ガスとが拡散し混合する可能性もあるため、ネジ部には、グラファイトシートを挟み、封止構造をとることもできる。また、グラファイトシート以外に、白金薄膜シート等の原料ガスに対して耐食性を有する金属薄膜シートも使用可能である。
【０１００】
但し、フランジ４０の高さが、ガス分配空間９内の流れを乱さない程度の突起であれば、ザグリ穴４２を設けることは必須では無い。
【０１０１】
上記構成によれば、ガス導管５ａは、下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能な構成になっており、ガス導管５ａの突出長さＤを変えることによって、混合室１２の大きさを変えることが可能である。実施の形態２に記載の方法によっても、ガス導管５ａの位置を変えることが可能であるが、ガス分配空間９の大きさも可変となるため、条件によっては、均一なシャワープレートからの反応ガス供給が出来ない場合がある（ガス分配空間９が極端に狭くなるような条件のとき）。そのような場合、ガス導管５ａを取り外し可能な構成としていることで、本体毎に再製作する必要がなく、ガス導管５ａの変更のみで調整することが可能となり、様々な条件の成膜に対応した装置とすることができる。
【０１０２】
また上記構成によれば、第二ガス流路出口２７ａの直径の変更が容易となる。例えば、基板保持部材１６上に設置された複数の被処理基板１５の内、外周側の被処理基板１５の膜厚が中央部と比べて異なった場合、通常は、基板保持部材１６上の温度分布を変化させ（外周側に配置された被処理基板１５の温度を上げるもしくは下げる）、気相の温度を変えることで、均一な膜を成膜する。しかし、温度を変えると、成膜組成も変わってしまう。そこで、被処理基板１５に供給される反応ガスの流速を変化させて調整することが考えられるが、シャワープレート方式の場合、流量を変更することによって、全体の流速が変化してしまうため、エリア毎の流速調整は、穴径を変化させたシャワープレートを作り直す必要があった。
【０１０３】
しかし、ガス導管５ａを取り外して交換可能とすることで、様々な穴径を有するガス流路４ｂを容易に形成することが可能である。また、ガス流路出口２７ａの外径、つまり、ガス導管５ａの外径を変更することで、ガス流路４ａの断面積も変えることが可能であり、エリア毎に細かな流速調整が可能である。以上のことから、様々な条件の成膜に対応した気相成長装置とすることができる。
【０１０４】
また、ガス流路４ｂの一部において、附加化合物が発生し、ガス流路４ｂ内の壁面に附加化合物が付着し、流路出口２７ａが詰まった場合でも、全体を洗浄することなく、詰まった箇所のガス流路４ｂ（ガス導管５ａ）のみを交換することが可能である。そのため、装置のメンテナンス時間も大幅に短縮することが可能であり、装置の稼働率向上を図ることも可能である。
【０１０５】
本実施の形態では、ガス導管５ａにネジを形成することによって、下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能に構成する例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。他の機構によってガス導管５ａを下方プレート３４ａから取り外し（着脱）可能に構成してもよい。
他の機構としては、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ガス導入管５ａの上部に、フランジ４０を設け、すきまばめ、中間ばめ、しまりばめ等の『はめあい』によって、取り外し（着脱）可能に構成することができる。しかし、すきまばめ、中間ばめの場合は、取り外しが容易である点で好ましい。しまりばめの場合は、ガス圧力等によって、予期できない外れや位置ズレが発生するおそれが無い点で好ましい。
更に、第１ガス流路４ａの直径をｄ１、フランジ４０の直径をｄ２とすると、その関係は、ｄ１＞ｄ２となるように構成されている。ｄ１＜ｄ２であった場合、シャワープレート２と、シャワープレート３を分離しなければ、ガス導管５ａを交換することは不可能であるが、ｄ１＞ｄ２であるため、シャワープレート２と、シャワープレート３を組付けた状態で、反応室１９側より、ガス導管５ａを第一ガス流路出口２５を通じて、ネジ部を外し、取り出し、再度、締結することができる。
上記構成により、Ｏリング等の真空封止部の取外しが不要で、メンテナンス性が向上する。また、真空封止部を取外すと、リークの危険性が増し、必ずリークチェックを行う必要があり、稼働率低下を招くが、その心配がなくなる。
また、ガス導管５ａの外径は、ネジ部より大きくしても、小さくしてもよく、第１ガス流路４ａの直径ｄ１以下であれば、自由に設定することができるため、流速や流量等の成長条件が広くなり、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件が可能となる。
図７（ａ）に示すように、ガス導管５ａの先端部（反応室１９側）には、凹部５１が形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、凸部５２を形成しても良い。このように、凹部５１や凸部５２を形成することで、反応室１９側より、治具を挿入して、ガス導管５ａの回転拘束が可能となるので、容易にガス導管５ａの交換が可能となる。
また、図８（ｂ）にガス導管５ａの交換治具５３を示す。交換治具５３には、ガス導管５ａのガス流路４ｂへ挿入される円柱状の治具挿入部５４が設置され、ガス導管５ａの先端部（反応室１９側）の凹部５１と嵌合する治具突起部５５が治具挿入部５４の根元に設置されている。上記構成によると、ガス導管５ａを交換する際、ガス導管５ａのガス流路４ｂへ挿入される治具挿入部５４によって、ガス導管５ａが落下する恐れが無くなる。また、凹部５１と治具突起部５５が勘合することによって、回転拘束を行い、ネジ部の回転を行うことができる。また、交換治具５３の外径ｄ３を第１ガス流路４ａの直径をｄ１と略等しく設定することで、ガス導管５ａに対して平行に挿入することが容易となり、ガス導管５ａに余分な力をかけることなく取外しができる（ガス導管５ａは非常に細くなるため、曲がりが発生する可能性がある。また、ネジ部に応力がかかると、かじりの原因となり、取外しが困難となる。かじりやすいのは、真空部品であり、また反応ガスが流れる箇所であるため、不純物の混入を防止するため、油（グリース）は使用することができず、非常にクリーンに洗浄されているためである）。
また、凹部５１と治具凸部５５の凹凸関係は逆でも良いし、回転拘束ができれば、１箇所でも２箇所でもそれ以上でも良い。
【０１０６】
ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、メンテナンスしにくくなる。反応室１９は、通常のメンテナンスで開放することはあるが、ガス分配空間１０は、基本的に開放する機会がないので、ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、わざわざ開放する必要があり、稼働率が低下する。
【０１０７】
ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、ガス導管５ａのノズル径もガス導管５ａのネジ径以下に制限される為、流速や流量等の成長条件が制限され、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件の最適化が難しくなる。また、ガス導管５ａをガス分配空間１０側から着脱しようとすると、ガス供給室にノズルが突出するため乱流が発生するという問題が生じる。
【０１０８】
ガス導管５ａの反応室側からの着脱が可能になると、Ｏリング等の真空封止部の取外しが不要になり、メンテナンス性が向上する（真空封止部を取外すと、必ずリークチェックを行う必要があり、稼働率低下を招く。また、リークの危険性が増す）。
【０１０９】
ガス導管５ａの外径がネジ径以下に制限されると、ガス流路４ａに制限ができる。そのため、流速や流量等の成長条件が制限され、成長レートや効率、膜厚均一性の高い成長条件の最適化が難しくなる。
【０１１０】
ガス導管５ａを交換して変更することができると、混合室１２の形成の有無にかかわらず、ガス導管５ａを交換するだけで、被処理基板１５に到達するガスの状態を調整することが可能になる。調整可能になるガスの状態は、被処理基板１５近傍におけるガス混合比率とガス混合程度とガス反応程度とガス反応速度とガス量とガス主流方向と乱流の有無及び程度とを含む。
【０１１１】
また、混合室１２が形成される場合は、混合室１２の大きさを調整することができるばかりでなく、下記の調整が可能になる。例えば、長さが同じガス導管５ａであれば、その先端から前方の空間（混合室１２）の大きさは同じになるが、図６に示す先端全面開口の寸胴型ガス導管（ガス導管５ａ）であっても、その内径の違いに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。また、図９（ａ）に示すような先端の閉面に開口があるタイプでは、その開口の配置、大きさ及び数に応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。また、ガス導管の噴出しの方向が、図９（ａ）に示すように端面から噴出す方向であるか、図９（ｂ）に示すように側面から噴出す方向であるかに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。さらに、図９（ａ）に示す先端の閉面に開口が形成されているタイプのガス導管であっても、先端の閉面に対して垂直に開口するのか、斜めに開口するのかに応じて、ガスが混合された状態（混合程度、出口から流出する速度、流出方向等）を様々に調整することができる。
図９（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられたガス導管５ａの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は他のガス導管５ｂの構成を示す斜視図である。図９（ａ）に示す構成によると、ガス導管５ａの流路出口に複数個の孔６を形成することによって、第２ガスの噴出しをより広げることが可能となり（パイプ形状の場合、直線状に噴出すのみである）、各孔６からの第二ガス流出速度は、従来よりも増加し、かつ、狭ピッチの細かな噴出しが実現できる。このため、流出した第二ガスの乱れが増加し、より、第一ガスとの混合性が向上する。また、被処理基板面上のガス濃度分布を均一化することができ、被処理基板表面反応の制御性を向上させ、つまり、成膜厚や組成比を向上させると共に、原料利用効率を向上させることができる。
【０１１２】
図９（ｂ）の構成によると、ガス導管５ｂの側面に複数個の孔６を形成することによって、第２ガスを側面方向の第１ガス流路へ噴出させる。各孔６からの第２ガス流出速度は従来よりも増加し、かつ、第１ガス流路へ噴出させるため、流出した第２ガスと第１ガスとの混合性がより向上する。
【０１１３】
（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に係る気相成長装置１ｂの構成を示す断面図である。気相成長装置１ｂは、ＭＯＣＶＤ装置の第４の実施形態である縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置である。
【０１１４】
シャワープレート３の中間プレート４３と下方プレート３４とは、多数の貫通穴が形成されている。中間プレート４３と下方プレート３４とは、距離Ｅを保って配設されており、各貫通穴には、ガス流路４ｂとなるガス導管５が、気密を保つように、真空ロウ付や電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、拡散接合等によって接合されている。また、中間プレート４３もしくは下方プレート３４に直接、ガス導管５を切削加工等により形成してもよい。
【０１１５】
上記のように構成することで、ガス流路４ｂを温度調整することが可能な、冷媒流路４４が形成される。
【０１１６】
上記構成によって、加熱ヒータ１７（図１）からの加熱によるガス流路出口２７の温度上昇に関わらず、所望の温度に調整することができる。
【０１１７】
また、上記構成の場合、ガス流路出口２７と冷媒流路４４とが離れているため、ガス流路４ｂの温度制御性を向上させるために、熱伝導率の高い材料を用いて、ガス導管５を構成することが望ましい。
【０１１８】
例えば、通常は、ＳＵＳ３０４（熱伝導率１６Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＳＵＳ３１６Ｌ等が用いられるが、モリブデン（熱伝導率１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、タングステン（熱伝導率１７８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、白金（熱伝導率７１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ニッケル（熱伝導率９０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ））などを用いることができる。
【０１１９】
また、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置を構成する反応炉、シャワープレートおよびその他の部材の形状が図１に示す形状に限定されないことは言うまでもない。
【０１２０】
上述の実施の形態１〜４において、第一ガスとして、III族ガス、第二ガスとしてＶ族ガスを原料ガスとすることができる。
【０１２１】
なお、本発明において、III族元素としては、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、III族元素を含むIII族系ガスとしては、たとえば、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）などの有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１２２】
Ｖ族元素としては、たとえば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）またはＡｓ（ヒ素）などがあり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、たとえば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）またはアルシン（ＡｓＨ３）などの水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【０１２３】
上記構成によれば、第二ガス流路出口２７は、加熱ヒータからの熱を直接受け、冷媒流路１１によって温度調整される第一ガス流路４ａに比べ、温度上昇しやすい構造である。Ｖ族系ガスは有機ガスが用いられ、高温にしないと、分子が分解して成長膜にドープされない、あるいは分子のままドープされてホールを形成してしまい、膜質や成長レートの劣化に繋がる。そのため、第二ガス流路４ｂをＶ族系ガスとすることで、予め反応炉１４以外で加熱し、活性化されたガスを反応炉１４に供給することにより、被処理基板１５の温度が、III族系ガスが熱分解しない程度の温度を保ったまま、気相反応を進行させることが可能となる。
【０１２４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かってガスを供給するために設けられたシャワープレートを備えた気相成長装置及び気相成長方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】実施の形態１に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図２】上記ガス供給部の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】図２に示すＡ部の拡大断面図である。
【図４】上記気相成長装置に設けられたガス供給部を被処理基板側から見た平面図である。
【図５】実施の形態２に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態３に係る気相成長装置のガス供給部の構成を示す拡大断面図である。
【図７】（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられた他のガス導管の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はさらに他のガス導管の構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、上記ガス導管の交換冶具の構成を説明するための斜視図である。
【図９】（ａ）は上記気相成長装置のガス供給部に設けられたガス導管の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は他のガス導管の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１１】従来の気相成長装置の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 気相成長装置
２ シャワープレート（第１シャワープレート）
３ シャワープレート（第２シャワープレート）
４ａ、４ｂ ガス流路
５ ガス導管
６ 孔
７ ベース
８ 上方プレート（カバープレート）
９ ガス分配空間（第１ガス分配空間）
１０ ガス分配空間（第２ガス分配空間）
１１ 冷媒流路
１２ 混合室
１３ 昇降機構
１４ 反応炉
１５ 被処理基板
１６ 基板保持部材
５１ 凹部
５２ 凸部
５３ 交換治具
５４ 治具挿入部
５５ 治具突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置されて前記被処理基板に向かって第１ガスを供給する第１シャワープレートと、
前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置されて前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する第２シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、
前記第１シャワープレートには、前記被処理基板に向かって前記第１ガスが流れるガス流路が形成されており、
前記第２シャワープレートは、前記第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有しており、
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に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】
前記ガス導管の出口には、複数の孔が形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとの間に前記第１ガスを前記ガス流路に供給する第１ガス分配空間が形成され、
前記第２シャワープレートは、前記第１ガス分配空間が露出するように前記第１シャワープレートから取り外し可能に設けられている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記第２シャワープレートは、ベースとカバープレートとを有し、
前記ベースと前記カバープレートとの間に第２ガス分配空間が形成され、
前記カバープレートは、前記第２ガス分配空間が露出するように前記ベースから取り外し可能に設けられている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記ガス導管の温度を調整する冷媒を流す冷媒流路が前記第２シャワープレートに形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記第１ガスは、III族ガスを含み、
前記第２ガスは、Ｖ族ガスを含む請求項１記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記ガス導管の長手方向に沿って前記ガス導管と前記ガス流路とを相対的に昇降させる昇降機構を設けた請求項１記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記昇降機構は、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させる請求項７記載の気相成長装置。
【請求項９】
前記昇降機構は、前記ガス導管と前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させる請求項７記載の気相成長装置。
【請求項１０】
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートと嵌合するフランジを有し、
前記ガス導管の前記フランジの外径は、前記ガス流路の内径よりも小さい請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１１】
前記ガス導管の先端には、前記ガス導管の交換冶具と嵌合する溝または突起が形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１２】
前記第１シャワープレートは、前記ガス導管の先端の前方において前記ガス流路の内壁により形成されて前記第１ガスと前記第２ガスとを混合する混合室を有している請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１３】
反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置された第１シャワープレートであって、前記被処理基板に向かって第１ガスが流れるガス流路が形成された第１シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、
前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置された第２シャワープレートであって、第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって第２ガスを流すガス導管を有する第２シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって前記第２ガスを供給する気相成長方法であって、
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする気相成長方法。
【請求項１】
反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置されて前記被処理基板に向かって第１ガスを供給する第１シャワープレートと、
前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置されて前記被処理基板に向かって第２ガスを供給する第２シャワープレートとを備えた気相成長装置であって、
前記第１シャワープレートには、前記被処理基板に向かって前記第１ガスが流れるガス流路が形成されており、
前記第２シャワープレートは、前記第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって前記第２ガスを流すガス導管を有しており、
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に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】
前記ガス導管の出口には、複数の孔が形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとの間に前記第１ガスを前記ガス流路に供給する第１ガス分配空間が形成され、
前記第２シャワープレートは、前記第１ガス分配空間が露出するように前記第１シャワープレートから取り外し可能に設けられている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記第２シャワープレートは、ベースとカバープレートとを有し、
前記ベースと前記カバープレートとの間に第２ガス分配空間が形成され、
前記カバープレートは、前記第２ガス分配空間が露出するように前記ベースから取り外し可能に設けられている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記ガス導管の温度を調整する冷媒を流す冷媒流路が前記第２シャワープレートに形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記第１ガスは、III族ガスを含み、
前記第２ガスは、Ｖ族ガスを含む請求項１記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記ガス導管の長手方向に沿って前記ガス導管と前記ガス流路とを相対的に昇降させる昇降機構を設けた請求項１記載の気相成長装置。
【請求項８】
前記昇降機構は、前記第１シャワープレートと前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させる請求項７記載の気相成長装置。
【請求項９】
前記昇降機構は、前記ガス導管と前記第２シャワープレートとを前記ガス導管の長手方向に沿って相対的に昇降させる請求項７記載の気相成長装置。
【請求項１０】
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートと嵌合するフランジを有し、
前記ガス導管の前記フランジの外径は、前記ガス流路の内径よりも小さい請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１１】
前記ガス導管の先端には、前記ガス導管の交換冶具と嵌合する溝または突起が形成されている請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１２】
前記第１シャワープレートは、前記ガス導管の先端の前方において前記ガス流路の内壁により形成されて前記第１ガスと前記第２ガスとを混合する混合室を有している請求項１記載の気相成長装置。
【請求項１３】
反応炉内の被処理基板を載置する基板保持部材に対向して配置された第１シャワープレートであって、前記被処理基板に向かって第１ガスが流れるガス流路が形成された第１シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって第１ガスを供給し、
前記第１シャワープレートに対して前記基板保持部材の反対側に配置された第２シャワープレートであって、第２シャワープレートから突出して前記ガス流路の内部に挿入されて前記被処理基板に向かって第２ガスを流すガス導管を有する第２シャワープレートによって、前記被処理基板に向かって前記第２ガスを供給する気相成長方法であって、
前記ガス導管は、前記第２シャワープレートに着脱可能に設けられていることを特徴とする気相成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−６２３８２（Ｐ２０１０−６２３８２Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２７３２８（Ｐ２００８−２２７３２８）
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【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２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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