気相成長装置
【課題】冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供する。
【解決手段】冷媒バッファエリア２２ｂの周囲には、冷媒用リング状壁２２ｄを介して環状の冷媒外環室２７が設けられる。冷媒外環室２７は、冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられた冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８とを備えている。冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。
【解決手段】冷媒バッファエリア２２ｂの周囲には、冷媒用リング状壁２２ｄを介して環状の冷媒外環室２７が設けられる。冷媒外環室２７は、冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられた冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８とを備えている。冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａ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、例えば縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 等の気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 法が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを水素等のキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。
【０００４】
図１２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。
【０００５】
このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源１０２から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３が接続されており、反応炉１０１における内部の成長室１１１の上部には該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。
【０００６】
また、反応炉１０１の成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端にはシャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には該サセプタ１０８を加熱するためのヒータ１０９が取り付けられている。
【０００７】
さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。
【０００８】
上記構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０８に基板１０７を設置し、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８を回転させ、ヒータ１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入する。
【０００９】
複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出口から基板１０７に反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。
【００１０】
しかし、この方法では、ヒータ１０９からの輻射熱により、シャワープレート１１０の表面が加熱されてしまうため、反応ガスが基板１０７上に到達し、反応することによって薄膜を形成する前に、シャワープレート１１０の表面で一部の化学反応が進行する。これにより、シャワープレート１１０の表面で生成物が形成されてしまい、シャワープレート１１０のガス吐出孔が生成物により詰まりを起こしてしまい、原料ガス及び不活性ガスが均一に基板１０７の表面に到達できなくなってしまい、均一な薄膜を形成することができなかった。
【００１１】
この問題を解決するため、例えば、特許文献１に開示された気相成長装置２００では、図１３に示すように、ガス通路部を除くシャワープレート２０１の内部に冷媒を導入し、シャワープレート２０１の内部におけるガス通路部の上下及び側面から冷却を行い輻射熱によるシャワープレート２０１の温度上昇を抑制している。また、側壁２０２には冷媒ジャケット２０３を配置し、その内部にも冷媒を導入し、合わせてシャワープレート２０１の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
【００１２】
また、近年では、複数の供給ガスそれぞれに、バッファエリアを設け、このバッファエリアからそれぞれの反応ガスをシャワープレートのガス吐出孔を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が一般的によく用いられる。これは、シャワーヘッド内で気相反応が生ずるのを避けるためである。この場合、III 族系ガス吐出孔とＶ族系ガス吐出孔とは交互に近接配置されるため、例えば、図１４に示す特許文献２に開示された反応容器３００のように、III 族系ガスのバッファエリア３０１とＶ族系ガスのバッファエリア３０２とを２層上下に配置し、それぞれのガスが成長室３０３以外で混合しないように、ガス流路が分離された積層構造がよく用いられている。
【００１３】
この特許文献２に開示された反応容器３００においても、シャワープレート３０４の上面に冷却チャンバ３０５を設け、ギャラリー３０６を介して冷媒を導入し、シャワープレート３０４の冷却を行い、シャワープレート３０４の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
【特許文献１】特開２００６−２１６８３０号公報（２００６年８月１７日公開）
【特許文献２】特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、基板上に均一な膜厚分布の薄膜を再現性よく成長させるには、反応ガスが均等な温度分布で被処理基板の上方まで到達する必要があり、かつ反応ガスが均等な流れで気相反応させることが必要である。
【００１５】
しかしながら、従来の特許文献１に開示された図１３に示す気相成長装置２００では、冷媒供給口２０４と冷媒排出口２０５とを有する冷媒外環室は隔壁で区画された構造になっていないため、冷媒供給口２０４から冷媒排出口２０５への流れが規定されず、シャワープレート２０１全域への冷媒の供給が困難となり、均一なシャワープレート２０１の冷却を行うことができない。この結果、部分的な冷却不足による、原料ガスの反応によるガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。また、シャワープレート２０１の内部を通過する原料ガスの温度が不均一となり、基板２０６の上方に到達する原料ガスの温度が均一ではなくなるため、膜厚分布が均一にならないという問題が生じる。
【００１６】
また、図１４に示す特許文献２では、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５を設けて、直接的にシャワープレート３０４を冷却しているため、特許文献１に比べてシャワープレート３０４の温度均一性は向上する。
【００１７】
しかしながら、特許文献２でも、冷却部が区画された構造を有していないため、シャワープレート３０４の全域の温度均一性が取れなくなってしまう。ましてや、シャワープレート３０４が大型化になると、シャワープレート３０４の温度の不均一性という問題がより顕著に発生し、シャワープレート３０４の内部を通過する反応ガスの温度不均一という問題が生じる。これは、シャワープレート３０４が大型化になるほど、冷媒の奪う熱量が大きくなり、充分に冷却できず、排出部に到達する前に、冷媒が温められてしまうからである。
【００１８】
また、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５が配置されていることから、シャワープレート３０４の上面と下面との間に距離が発生してしまい、冷却能力が充分に発揮されず、その結果、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。またこれは、上記の温度不均一で部分的にも生じる問題である。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、上記シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
上記の発明によれば、シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられている。
【００２２】
したがって、冷媒中間室の周囲に設けられた環状の冷媒外環室に冷媒導入口から導入された冷媒は、一部はリング状壁に形成されている冷媒流入開口を通して冷媒中間室に流入すると共に、他の一部は環状の冷媒外環室に流入する。
【００２３】
しかし、冷媒中間室には複数のガス供給管が貫通して設けられているので、冷媒中間室の内部は冷媒の流入抵抗が大きい。このため、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分は、抵抗の小さい冷媒外環室を経由して冷媒排出口から外部に排出される。これにより、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分が、抵抗の大きい冷媒中間室に充分に流入せずに短絡して流れるので、シャワープレートの冷却を均一に行うことができないことになる。
【００２４】
そこで、本発明では、これを回避するために、冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられている。
【００２５】
すなわち、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁を設けただけでは、冷媒外環室には冷媒は流れない。
【００２６】
この点、本発明では、隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられている。逆に、冷媒外環室には隔壁の一部にしか隔壁連通開口が設けられていないことから、隔壁連通開口では冷媒流通路が狭くなっており、冷媒流通量が低減される。このため、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分が抵抗の大きい冷媒中間室に充分に流入せずに短絡して流れるということを防止できる。また、冷媒が冷媒外環室を一部流れるようにすることにより、リング状壁の冷媒流入開口からの冷媒中間室への冷媒の流れが、冷媒中間室の外周近辺にまで流れるようになる。
【００２７】
したがって、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供することができる。
【００２８】
本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環室のリング状壁には、前記隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部が設けられており、上記突出部と冷媒中間室に設けられた前記ガス供給管との間隔は、ガス供給管同士の間隔よりも狭いことが好ましい。
【００２９】
すなわち、冷媒中間室に流入した冷媒は、冷媒中間室に複数設けられたガス供給管の間を通って、リング状壁に形成されている冷媒流出開口の方向へ流れる。この場合、リング状壁の冷媒中間室側の表面とガス供給管との間隔が、ガス供給管同士の間隔よりも広い場合には、冷媒は抵抗の少ないリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿って流れるので、各ガス供給管の間への流通量が少なくなる。
【００３０】
そこで、本発明では、冷媒外環室のリング状壁には、隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部を設け、この突出部と冷媒中間室に設けられたガス供給管との間隔を、ガス供給管同士の間隔よりも狭くしている。
【００３１】
この結果、冷媒は抵抗の大きいリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿った流域にはあまり流れない。
【００３２】
したがって、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを確実に回避し得る気相成長装置を提供することができる。
【００３３】
本発明の気相成長装置では、前記突出部は、前記リング状壁において弦を形成するように冷媒中間室側に突出していることが好ましい。
【００３４】
これにより、長い区域で、突出部と冷媒中間室に設けられたガス供給管との間隔を、ガス供給管同士の間隔よりも狭くすることができる。
【００３５】
したがって、抵抗の大きいリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止することができる。
【００３６】
本発明の気相成長装置では、前記隔壁に形成された隔壁連通開口には、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーが形成されていることが好ましい。
【００３７】
これにより、隔壁に形成された隔壁連通開口にはテーパーが形成されているので、隔壁に形成された隔壁連通開口の出入口近傍での、流速がない部分を減少させることが可能となり、隔壁連通開口の冷媒の流通性を良くすることができる。尚、隔壁連通開口のテーパーは、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーのいずれであっても、隔壁連通開口の冷媒の流通性が良くなることが、シミュレーションにより確認できている。
【００３８】
本発明の気相成長装置では、前記隔壁に形成された隔壁連通開口は、複数箇所に形成されているとすることができる。
【００３９】
これによっても、隔壁連通開口の出入口近傍での流速がない部分を大きく減少できることが、シミュレーションにより確認できている。
【００４０】
本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室に冷媒を導入する冷媒導入口は、上記冷媒外環導入室に近づくに伴って入口面積が大きくなるように形成されていることが好ましい。
【００４１】
これにより、冷媒外環室の冷媒導入口近傍において、冷媒中間室への冷媒の流れと冷媒外環導入室への冷媒の流れとの間で乱流が生じることによって媒体の流れが妨げられることを防止することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の気相成長装置は、以上のように、シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられているものである。
【００４３】
それゆえ、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供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】
【００４４】
本発明の一実施形態について図１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
【００４５】
図２に、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１０の模式的な構成の一例を示す。
【００４６】
本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、図２に示すように、中空部である成長室１を有する反応炉２と、被成膜基板３を載置するサセプタ４と、上記サセプタ４に対向しかつ底面にシャワープレート２１を持つガス供給手段としてのシャワーヘッド２０とを含んでいる。
【００４７】
上記サセプタ４の下側には被成膜基板３を加熱するヒータ５及び支持台６が設けられており、支持台６に取り付けた回転軸７が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、上記サセプタ４及びヒータ５が、サセプタ４の上面（シャワープレート２１側の面）が対向するシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。上記サセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７の周囲には、ヒータカバーである被覆板８が、これらサセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７を取り囲むように設けられている。
【００４８】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０は、成長室１の内部のガスを周辺のガス排出口１ａを通して外部に排出するためのガス排出部１１と、このガス排出部１１に接続されたパージライン１２と、このパージライン１２に接続された排ガス処理装置１３とを有している。これにより、成長室１の内部に導入されたガスはガス排出部１１を通して成長室１の外部に排出され、排出されたガスはパージライン１２を通って排ガス処理装置１３に導入され、排ガス処理装置１３において無害化される。
【００４９】
さらに、ＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族元素を含む原料ガスとしてのIII 族系ガスの供給源となるIII 族系ガス供給源３１と、このIII 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのIII 族系ガス配管３２と、III 族系ガス供給源３１から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３３とを有している。上記III 族系ガス供給源３１は、III 族系ガス配管３２によって、マスフローコントローラ３３を介して、シャワーヘッド２０のIII 族系ガス供給部２３に接続されている。
【００５０】
なお、本実施の形態において、III 族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩｎ（インジウム）等があり、III 族元素を含むIII 族系ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。
【００５１】
また、このＭＯＣＶＤ装置１０は、Ｖ族元素を含む原料ガスとしてのＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源３４と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのＶ族系ガス配管３５と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されるＶ族系ガスの供給量を調節することができるＶ族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３６とを有している。上記Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族系ガス配管３５によって、マスフローコントローラ３６を介してシャワーヘッド２０のＶ族系ガス供給部２４に接続されている。
【００５２】
なお、本実施の形態において、Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）又はＡｓ（ヒ素）等があり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【００５３】
上記マスフローコントローラ３３・３６は図示しない制御部にて制御されるようになっている。
【００５４】
また、本実施の形態では、III 族系ガス供給部２３とシャワープレート２１との間に冷媒供給部２２が設けられており、この冷媒供給部２２には、シャワープレート２１を冷却するために、冷媒装置３７から冷媒供給配管３８を通して冷媒が供給されるようになっている。この冷媒は、シャワープレート２１の冷却を行った後、冷媒排出配管３９を通して図示しない排出ユーティリティへ排出されるようになっている。
【００５５】
なお、冷媒は、例えば、一般的な水を用いることができるが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。
【００５６】
次に、図３を用いてシャワーヘッド２０の構成を説明する。
【００５７】
シャワーヘッド２０は、図３に示すように、下から順番に、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４が積層されて構成されている。
【００５８】
上記シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４は積層配置であるため、本実施の形態では、Ｖ族系ガス供給部２４におけるガス中間室及びガス個別中間室としてのＶ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、ガス中間室及びガス個別中間室としてのIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ、及び冷媒中間室としての冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのＶ族系ガス供給管２４ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１に吐出される。
【００５９】
また、III 族系ガス供給部２３におけるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂのIII 族系ガスは、冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのIII 族系ガス供給管２３ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３から成長室１に吐出される。
【００６０】
以下、それぞれについて、詳細に説明する。
【００６１】
図３に示すように、シャワープレート２１には、前記成長室１にIII 族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート２１の面内（前記サセプタ４に向かい合っている表面内）において、III 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５とが交互に配列されている。図１に示す例においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。ただし、この格子は正方格子に限らず、菱形の格子等でもよい。また、図１に示す構成のシャワープレート２１における、III 族系ガス吐出孔Ｈ３（図１ではIII 族系ガス供給管２３ｃと表示）の開口部の面積と、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５（図１ではＶ族系ガス供給管２４ｃと表示）の開口部の面積とは同一となっている。
【００６２】
次に、各ガス供給部について説明する。
【００６３】
図３に示すように、III 族系ガス供給部２３は、シャワーヘッド２０の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔Ｈ３に導くため、III 族系ガス外環流路２３ａと、III 族系ガスバッファエリア２３ｂと、このIII 族系ガスバッファエリア２３ｂから成長室１に連通するIII 族系ガス供給管２３ｃとにより構成されている。なお、III 族系ガス供給管２３ｃの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
【００６４】
一方、同様に、Ｖ族系ガス供給部２４は、シャワーヘッド２０の周辺部より供給された反応ガスを均一にＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に導くため、冷媒外環室としてのＶ族系ガス外環流路２４ａと、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂと、Ｖ族系ガス供給管２４ｃとにより構成されている。なお、Ｖ族系ガス供給管２４ｃの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
【００６５】
ここで、図４は、Ｖ族系ガス外環流路２４ａを示す斜視図である（III 族系ガス外環流路２３ａも構造は同じであるため、説明は省略する）。
【００６６】
例えば、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの横方向から供給されたＶ族系ガスは、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの内周側に均等配置された複数の開口Ｈを有する開口付き内側壁であるＶ族系ガス開口付きリング２４ｄを介して、半径方向の内部に均一にＶ族系ガスバッファエリア２４ｂへ供給される。そして、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、前記複数のＶ族系ガス供給管２４ｃを通って、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１へ供給される。
【００６７】
すなわち、図３に示すように、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ内には、Ｖ族系ガス供給管２４ｃが、それぞれのガスが混合しないよう分離されて配置されている。つまり、III 族系ガスバッファエリア２３ｂの平面においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の位置には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂからIII 族系ガス吐出孔Ｈ３へ連通されるIII 族系ガス供給管２３ｃが配置されていると共に、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５の位置には、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂからＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通されるＶ族系ガス供給管２４ｃが柱のように林立していることになる。
【００６８】
次に、冷媒供給部２２について、図５（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
【００６９】
上記冷媒供給部２２は、図２に示すシャワープレート２１を一定の温度以下に冷却することによって、シャワープレート２１への反応生成物の付着を抑制し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを防止する。
【００７０】
ところで、この冷媒供給部について、例えば、図１４に示す従来の特許文献３に記載の反応容器３００では、冷媒を、ギャラリー３０６を介して冷却チャンバ３０５内に導入している。このため、冷媒がショートカットして流れる等、冷却チャンバ３０５の冷媒の流れが悪く、その結果、冷却能力が充分に発揮されず、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じていた。
【００７１】
そこで、本実施の形態では、このような課題を解決するために、シャワーヘッド２０の冷媒供給部２２を、図５（ａ）（ｂ）に示す構成としている。
【００７２】
すなわち、シャワーヘッド２０は、外側枠を構成する環状のフランジ２５と、このフランジ２５の最底面部に取り付けられるシャワープレート２１と、前記冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂをそれぞれ上下方向で区画するために上記シャワープレート２１と平行に配される境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃとを備えている。
【００７３】
そして、上記シャワープレート２１と境界板２６ａとの間には、冷媒を前記冷媒バッファエリア２２ｂに流入させる冷媒外環室２７を、フランジ２５の内側側面に形成するためのリング状壁としての冷媒用リング状壁２２ｄが設けられている。また、上記境界板２６ａと境界板２６ｂとの間には、III 族系ガスを前記III 族系ガスバッファエリア２３ｂに流入させるIII 族系ガス外環流路２３ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのIII 族系ガス開口付きリング２３ｄが設けられている。さらに、上記境界板２６ｂと天板２６ｃとの間には、Ｖ族系ガスを前記Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂに流入させるＶ族系ガス外環流路２４ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのＶ族系ガス開口付きリング２４ｄが設けられている。
【００７４】
上記冷媒外環室２６には、フランジ２５の一端に設けられた冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａから冷媒が供給されると共に、この冷媒外環室２６の冷媒は、このフランジ２５における冷媒供給配管３８とは１８０度対向する位置に設けられた冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａ（図１参照）から排出されるようになっている。
【００７５】
本実施の形態では、特に、図６（ａ）に示すように、この環状の冷媒外環室２７を冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに区画する隔壁としての冷媒外環室隔壁２８が、複数箇所としての例えば２箇所に設けられている。具体的には、冷媒外環室隔壁２８は、冷媒外環室２７における、上記冷媒供給配管３８から例えば±９０度の位置にそれぞれ設けられている。なお、この±９０度の位置は、必ずしもこれに限らない。すなわち、冷媒外環室隔壁２８・２８は、冷媒外環室２７において、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ直線に対して、線対称となるように設けられていればよい。
【００７６】
また、本実施の形態では、特に、冷媒外環室隔壁２８の一部には、図６（ｂ）にも示すように、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。
【００７７】
さらに、冷媒外環室２７の冷媒用リング状壁２２ｄには、図６（ａ）に示すように、冷媒外環室隔壁２８の近傍における冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出する突出部Ｐを設け、この突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。このため、冷媒は抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域にはあまり流れないようになっている。尚、本発明においては、突出部Ｐは必ずしも設けてなくてもよい。
【００７８】
この突出部Ｐは、本実施の形態では、特に、冷媒用リング状壁２２ｄにおいて弦を形成するように冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出している。これにより、長い区域で、突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。
【００７９】
したがって、抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止している。
【００８０】
図５（ａ）（ｂ）に示す上述したフランジ２５、シャワープレート２１、境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃ、冷媒用リング状壁２２ｄ、III 族系ガス開口付きリング２３ｄ及びＶ族系ガス開口付きリング２４ｄ、並びに冷媒外環室隔壁２８は、各冷媒及び各原料ガスが漏れないように、溶接により一体化されている。また、これにより、冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂがそれぞれ独立した部屋となっている。
【００８１】
上記構成の冷媒外環室２７を備えたシャワーヘッド２０における冷媒の流通経路について、図１に基づいて説明する。図１は、冷媒外環室２７における冷媒外環導入室２７ａを通して、冷媒バッファエリア２２ｂ及び冷媒外環排出室２７ｂへ冷媒を流した状態のシミュレーションを実施した結果を示す。
【００８２】
シミュレーション条件は、冷媒供給配管３８から１ｍ／ｓの流速にて冷媒を導入する条件にて実施した。本条件は、冷媒バッファエリア２２ｂ内を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの表面積、及び個数から算出されるコンダクタンスから設定した値である。
【００８３】
また、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの寸法は、内径Φ１７６ｍｍ、外径Φ２３０ｍｍ、及び高さ５ｍｍとしている。また、冷媒外環室隔壁２８はそれぞれ線対称で２箇所配置おり、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの各室の体積が同体積になるように設定している。
【００８４】
さらに、冷媒外環導入室２７ａの側壁である冷媒用リング状壁２２ｄから冷媒を流入する冷媒用開口としての冷媒流入開口Ｈｉｎ、及び冷媒外環排出室２７ｂの冷媒用開口としての冷媒流出開口Ｈｏｕｔの直径及び配置については、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ中心軸の垂直方向に線対称となるように配置している。すなわち、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒流出開口Ｈｏｕｔは、冷媒外環室隔壁２８において、１８０度対向する位置に設けられている。
【００８５】
この結果、冷媒の流れに関し、図１に示すように、冷媒外環室隔壁２８及び該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けて冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂを経由したことにより、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部に充分に供給されることがわかった。
【００８６】
すなわち、シミュレーションの結果、冷媒の流れに関し、冷媒外環室隔壁２８及び該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けたことにより、冷媒バッファエリア２２ｂの内部における冷媒流速の冷媒流れ方向成分が、導入速度とほぼ同じ速度となり、かつ冷媒バッファエリア２２ｂの内部で略均一の分布となり、冷媒が均一に冷媒バッファエリア２２ｂの内部全体を冷却しているのがわかった。
【００８７】
次に、比較例として、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８を設けない場合について、シミュレーションを実施した結果を図７に示す。
【００８８】
図７に示すシミュレーション結果では、シャワープレート２１の中心部へは殆ど冷媒が供給されていないことが分かる。すなわち、殆どの冷媒は、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を通らず、冷媒外環室２７内をそのまま通過し、冷媒排出配管３９へ流れていく。
【００８９】
この結果から、比較例では、III 族系ガス供給管２３ｃ又はＶ族系ガス供給管２４ｃが冷媒バッファエリア２２ｂの内部に無数に存在しているため、冷媒にとっては非常に抵抗が大きく、全て流速抵抗が少ない方へ冷媒が流れているのが分かる。
【００９０】
したがって、この結果から、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８・２８を設け、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに冷媒外環室隔壁２８にて区画し、該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けることが効果的であることが分かった。
【００９１】
尚、本実施の形態では、冷媒外環室２７においては、冷媒外環室隔壁２８を左右に２個設けたため、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂがそれぞれ一室ずつとなったが、必ずしもこれに限らず、例えば、冷媒外環室隔壁２８を複数設けて、各室を増やしてもよい。
【００９２】
最後に、III −Ｖ族化合物半導体結晶を本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いたＭＯＣＶＤ法により成長させてIII −Ｖ族化合物半導体を製造する方法を、図２に基づいて説明する。
【００９３】
すなわち、図２に示す構成の本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、III −Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる際には、まず、サセプタ４上に下地となる被成膜基板３が設置される。その後、回転軸７の回転により、サセプタ４の上面に設置された被成膜基板３の表面がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ５の加熱により、サセプタ４を介して被成膜基板３が所定の温度に加熱される。そして、シャワープレート２１に形成されているIII 族系ガス吐出孔Ｈ３からIII 族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入されると共に、シャワープレート２１に形成されているＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からＶ族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。
【００９４】
これにより、被成膜基板３の表面上にIII −Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、III 族系ガスの供給量及びＶ族系ガスの供給量は、図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３・３６にて制御され、III 族系ガス及びＶ族系ガスのそれぞれが成長室１に供給されることになる。
【００９５】
III 族系ガス及びＶ族系ガスは、シャワープレート２１に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からそれぞれ供給されていることから、被成膜基板３の表面上方におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５との分布の偏りを低減することができる。
【００９６】
III 族系ガスとＶ族系ガスとが混合し濃度分布が均一となり、ヒータ５による被成膜基板３の加熱と相俟ってIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応が被成膜基板３の表面近傍において進行する。
【００９７】
ここで、本実施の形態では、冷媒供給部２２が設けられており、冷媒供給部２２では冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８・２８及び隔壁連通開口２８ａ・２８ａが設けられているので、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部を効率よく循環する。この結果、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃのIII 族系ガス及びＶ族系ガス供給管２４ｃのＶ族系ガスが充分に冷却されるので、シャワープレート２１のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５でガスが反応して析出し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５が詰まるということがない。
【００９８】
したがって、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いた場合には、従来の特許文献１〜２に記載の装置を用いた場合と比べて、被成膜基板３の表面におけるIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応の均一性を向上することができる。
【００９９】
すなわち、シャワープレート２１全面の温度及び反応ガスの温度を均一にすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、シャワープレート２１の表面、及びガス投入口での生成物付着によるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の詰り起因による流れの乱れをなくすことができる。また、反応ガスの温度均一化を図ることにより生成膜厚や組成比を向上させることができる。
【０１００】
なお、上記においては、III 族系ガス、Ｖ族系ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス及びＶ族系ガスと共に、不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室１に供給してもよい。
【０１０１】
また、上記においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の形状は特に限定されず、例えば、多角形又は楕円形等の形状にすることができる。
【０１０２】
また、上記においては、被成膜基板３を１枚設置した場合について説明したが、本発明においては、被成膜基板３は１枚だけでなく複数枚設置してもよい。
【０１０３】
さらに、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置１０を構成する反応炉２、シャワープレート２１及びその他の部材の形状が、図２に示す形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記の説明では、冷媒バッファエリア２２ｂの上には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂとＶ族系ガスバッファエリア２４ｂとが異なる２層として積層されていたが、必ずしもこれに限らない。
【０１０４】
また、本発明においては、原料ガスの種類として、III 族系ガス及びＶ族系ガスに限ることはない。
【０１０５】
このように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族系ガス及びＶ族系ガスの各原料ガスを吐出する複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５を配設したシャワープレート２１を介して被成膜基板３を収容する成長室１内に該III 族系ガス及びＶ族系ガスを供給して被成膜基板３に成膜する。上記シャワープレート２１上には、III 族系ガス及びＶ族系ガスをそれぞれ充満させるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂと、III 族系ガス及びＶ族系ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒バッファエリア２２ｂとが、該冷媒バッファエリア２２ｂをシャワープレート２１側にして順に積層され、冷媒バッファエリア２２ｂには、該冷媒バッファエリア２２ｂからシャワープレート２１の複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通する複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられ、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲には、冷媒用リング状壁２２ｄを介して環状の冷媒外環室２７が設けられている。
【０１０６】
したがって、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲に設けられた環状の冷媒外環室２７に導入された冷媒は、一部は冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流入開口Ｈｉｎを通して冷媒バッファエリア２２ｂに流入すると共に、他の一部は環状の冷媒外環室２７に流入する。
【０１０７】
しかし、冷媒バッファエリア２２ｂには複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられているので、冷媒バッファエリア２２ｂの内部は冷媒の流入抵抗が大きい。このため、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分は、抵抗の小さい冷媒外環室２７を経由して冷媒排出口３９ａから外部に排出される。これにより、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分が、抵抗の大きい冷媒バッファエリア２２ｂに充分に流入せずに短絡して流れるので、シャワープレート２１の冷却を均一に行うことができないことになる。
【０１０８】
そこで、本実施の形態では、これを回避するために、冷媒外環室２７は、冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流入開口Ｈｉｎに対向する冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、該冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられ、かつ冷媒バッファエリア２２ｂからの冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流出開口Ｈｏｕｔに対向する冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、これら冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８とを備えていると共に、冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。
【０１０９】
すなわち、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８を設けただけでは、冷媒外環室２７には冷媒は流れない。
【０１１０】
この点、本実施の形態では、冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。逆に、冷媒外環室２７には冷媒外環室隔壁２８の一部にしか隔壁連通開口２８ａが設けられていないことから、隔壁連通開口２８ａでは冷媒流通路が狭くなっており、冷媒流通量が低減される。このため、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分が抵抗の大きい冷媒バッファエリア２２ｂに充分に流入せずに短絡して流れるということを防止できる。また、冷媒が冷媒外環室２７を一部流れるようにすることにより、冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎからの冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒の流れが、冷媒バッファエリア２２ｂの外周近辺にまで流れるようになる。
【０１１１】
したがって、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、ガスのシャワープレート２１での反応によるシャワープレート２１におけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得るＭＯＣＶＤ装置１０を提供することができる。
【０１１２】
ところで、冷媒バッファエリア２２ｂに流入した冷媒は、冷媒バッファエリア２２ｂに複数設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの間を通って、冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流出開口Ｈｏｕｔの方向へ流れる。この場合、冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面とIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔が、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔よりも広い場合には、冷媒は抵抗の少ない冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿って流れるので、各III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの間への流通量が少なくなる。
【０１１３】
そこで、本実施の形態では、冷媒外環室２７の冷媒用リング状壁２２ｄには、冷媒外環室隔壁２８の近傍における冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出する突出部Ｐを設け、この突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。
【０１１４】
この結果、冷媒は抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域にはあまり流れない。
【０１１５】
したがって、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、ガスのシャワープレート２１での反応によるシャワープレート２１におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを確実に回避し得るＭＯＣＶＤ装置１０を提供することができる。
【０１１６】
また、本実施の形態では、突出部Ｐは、冷媒用リング状壁２２ｄにおいて弦を形成するように冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出している。これにより、長い区域で、抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止することができる。
【０１１７】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【０１１８】
例えば、上記実施の形態では、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａは断面長方形の開口となっているが、必ずしもこれに限らない。
【０１１９】
例えば、図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、隔壁連通開口２８ａに断面台形のテーパーを形成しておくことができる。すなわち、隔壁連通開口２８ａを断面長方形の開口にすると、隔壁連通開口２８ａの出入口近傍において流速がない部分が発生する可能性がある。これに対して、隔壁連通開口２８ａに断面台形のテーパーを形成しておくことにより、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａの出入口近傍での、流速がない部分を減少させることが可能となり、隔壁連通開口２８ａの冷媒の流通性を良くすることができる。
【０１２０】
尚、隔壁連通開口２８ａのテーパーは、図８（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａから冷媒外環排出室２７ｂに向かって開口幅が広くなるテーパー、又は図９（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａから冷媒外環排出室２７ｂに向かって開口幅が広くなるテーパーのいずれであっても、隔壁連通開口２８ａの冷媒の流通性が良くなることが、図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）に示すシミュレーション結果により確認できる。
【０１２１】
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａは、複数箇所に形成されているとすることができる。
【０１２２】
これによっても、図１０（ａ）（ｂ）に示すシミュレーション結果により、隔壁連通開口２８ａの出入口近傍での流速がない部分を大きく減少できることが確認できる。
【０１２３】
また、上記の説明では、図１（ａ）等に示すように、冷媒外環導入室２７ａに冷媒を導入する冷媒導入口３８ａは、冷媒供給配管３８の円筒形を維持する断面長方形となっていて。
【０１２４】
しかし、必ずしもこれに限らず、例えば、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａに近づくに伴って入口面積が大きくなるように断面台形に形成された冷媒導入口３８ｂとすることができる。
【０１２５】
これにより、冷媒外環室２７の冷媒導入口３８ｂの近傍において、冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒の流れと冷媒外環導入室２７ａへの冷媒の流れとの間で乱流が生じることによって媒体の流れが妨げられることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔から基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明における気相成長装置の実施の一形態を示すものであって、シャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。
【図２】上記気相成長装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】上記気相成長装置におけるシャワーヘッドの構成を示す断面図である。
【図４】上記シャワーヘッドにおけるＶ族系ガス供給部のＶ族系冷媒外環室の構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）はシャワーヘッドにおける冷媒供給部の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はシャワーヘッドの構成を示す組み立て分解斜視図である。
【図６】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の構成を示す平面図であり、（ｂ）は冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図７】比較例を示すものであり、冷媒外環室に冷媒外環室隔壁を設けない場合において、上記シャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。
【図８】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図９】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図１０】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室のさらに他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図１１】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室のさらに他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒供給配管の冷媒導入口の構成を拡大して示す平面図である。
【図１２】従来の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１３】従来の他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１４】従来のさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 成長室
１ａ ガス排出口
２ 反応炉
３ 被成膜基板
４ サセプタ
５ ヒータ
７ 回転軸
１０ ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１ ガス排出部
１２ パージライン
２０ シャワーヘッド
２１ シャワープレート
２２ 冷媒供給部
２２ｂ 冷媒バッファエリア（冷媒中間室）
２２ｄ 冷媒用開口付きリング
２３ III 族系ガス供給部
２３ａ III 族系ガス冷媒外環流路
２３ｂ III 族系ガスバッファエリア（ガス中間室）
２３ｃ III 族系ガス供給管（ガス供給管）
２４ Ｖ族系ガス供給部
２４ａ Ｖ族系ガス冷媒外環流路
２４ｂ Ｖ族系ガスバッファエリア（ガス中間室）
２４ｃ Ｖ族系ガス供給管（ガス供給管）
２４ｄ Ｖ族系ガス開口付きリング
２７ 冷媒外環室
２７ａ 冷媒外環導入室
２７ｂ 冷媒外環排出室
２８ 冷媒外環室隔壁（隔壁）
２８ａ 隔壁連通開口
３８ 冷媒供給配管
３８ａ 冷媒導入口
３８ｂ 冷媒導入口
３９ 冷媒排出配管
３９ａ 冷媒排出口
４１ ガス導入口
４２ ガス導入口
４３ ガス導入口
４４ 突起
Ｄ１ 間隔
Ｄ２ 間隔
Ｈ 開口
Ｈ３ III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ５ Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈｉｎ 冷媒流入開口（冷媒用開口）
Ｈｏｕｔ 冷媒流出開口（冷媒用開口）
Ｐ 突出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 等の気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） 法が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスを水素等のキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。
【０００４】
図１２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。
【０００５】
このＭＯＣＶＤ装置においては、ガス供給源１０２から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３が接続されており、反応炉１０１における内部の成長室１１１の上部には該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。
【０００６】
また、反応炉１０１の成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端にはシャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には該サセプタ１０８を加熱するためのヒータ１０９が取り付けられている。
【０００７】
さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。
【０００８】
上記構成の縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０８に基板１０７を設置し、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８を回転させ、ヒータ１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入する。
【０００９】
複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出口から基板１０７に反応ガスを吹き出させる方法が採られていた。
【００１０】
しかし、この方法では、ヒータ１０９からの輻射熱により、シャワープレート１１０の表面が加熱されてしまうため、反応ガスが基板１０７上に到達し、反応することによって薄膜を形成する前に、シャワープレート１１０の表面で一部の化学反応が進行する。これにより、シャワープレート１１０の表面で生成物が形成されてしまい、シャワープレート１１０のガス吐出孔が生成物により詰まりを起こしてしまい、原料ガス及び不活性ガスが均一に基板１０７の表面に到達できなくなってしまい、均一な薄膜を形成することができなかった。
【００１１】
この問題を解決するため、例えば、特許文献１に開示された気相成長装置２００では、図１３に示すように、ガス通路部を除くシャワープレート２０１の内部に冷媒を導入し、シャワープレート２０１の内部におけるガス通路部の上下及び側面から冷却を行い輻射熱によるシャワープレート２０１の温度上昇を抑制している。また、側壁２０２には冷媒ジャケット２０３を配置し、その内部にも冷媒を導入し、合わせてシャワープレート２０１の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
【００１２】
また、近年では、複数の供給ガスそれぞれに、バッファエリアを設け、このバッファエリアからそれぞれの反応ガスをシャワープレートのガス吐出孔を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が一般的によく用いられる。これは、シャワーヘッド内で気相反応が生ずるのを避けるためである。この場合、III 族系ガス吐出孔とＶ族系ガス吐出孔とは交互に近接配置されるため、例えば、図１４に示す特許文献２に開示された反応容器３００のように、III 族系ガスのバッファエリア３０１とＶ族系ガスのバッファエリア３０２とを２層上下に配置し、それぞれのガスが成長室３０３以外で混合しないように、ガス流路が分離された積層構造がよく用いられている。
【００１３】
この特許文献２に開示された反応容器３００においても、シャワープレート３０４の上面に冷却チャンバ３０５を設け、ギャラリー３０６を介して冷媒を導入し、シャワープレート３０４の冷却を行い、シャワープレート３０４の温度上昇及び原料ガスの温度上昇を抑制している。
【特許文献１】特開２００６−２１６８３０号公報（２００６年８月１７日公開）
【特許文献２】特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、基板上に均一な膜厚分布の薄膜を再現性よく成長させるには、反応ガスが均等な温度分布で被処理基板の上方まで到達する必要があり、かつ反応ガスが均等な流れで気相反応させることが必要である。
【００１５】
しかしながら、従来の特許文献１に開示された図１３に示す気相成長装置２００では、冷媒供給口２０４と冷媒排出口２０５とを有する冷媒外環室は隔壁で区画された構造になっていないため、冷媒供給口２０４から冷媒排出口２０５への流れが規定されず、シャワープレート２０１全域への冷媒の供給が困難となり、均一なシャワープレート２０１の冷却を行うことができない。この結果、部分的な冷却不足による、原料ガスの反応によるガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。また、シャワープレート２０１の内部を通過する原料ガスの温度が不均一となり、基板２０６の上方に到達する原料ガスの温度が均一ではなくなるため、膜厚分布が均一にならないという問題が生じる。
【００１６】
また、図１４に示す特許文献２では、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５を設けて、直接的にシャワープレート３０４を冷却しているため、特許文献１に比べてシャワープレート３０４の温度均一性は向上する。
【００１７】
しかしながら、特許文献２でも、冷却部が区画された構造を有していないため、シャワープレート３０４の全域の温度均一性が取れなくなってしまう。ましてや、シャワープレート３０４が大型化になると、シャワープレート３０４の温度の不均一性という問題がより顕著に発生し、シャワープレート３０４の内部を通過する反応ガスの温度不均一という問題が生じる。これは、シャワープレート３０４が大型化になるほど、冷媒の奪う熱量が大きくなり、充分に冷却できず、排出部に到達する前に、冷媒が温められてしまうからである。
【００１８】
また、シャワープレート３０４の上部に冷却チャンバ３０５が配置されていることから、シャワープレート３０４の上面と下面との間に距離が発生してしまい、冷却能力が充分に発揮されず、その結果、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じる。またこれは、上記の温度不均一で部分的にも生じる問題である。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、上記シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
上記の発明によれば、シャワープレート上に、ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられている。
【００２２】
したがって、冷媒中間室の周囲に設けられた環状の冷媒外環室に冷媒導入口から導入された冷媒は、一部はリング状壁に形成されている冷媒流入開口を通して冷媒中間室に流入すると共に、他の一部は環状の冷媒外環室に流入する。
【００２３】
しかし、冷媒中間室には複数のガス供給管が貫通して設けられているので、冷媒中間室の内部は冷媒の流入抵抗が大きい。このため、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分は、抵抗の小さい冷媒外環室を経由して冷媒排出口から外部に排出される。これにより、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分が、抵抗の大きい冷媒中間室に充分に流入せずに短絡して流れるので、シャワープレートの冷却を均一に行うことができないことになる。
【００２４】
そこで、本発明では、これを回避するために、冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられている。
【００２５】
すなわち、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁を設けただけでは、冷媒外環室には冷媒は流れない。
【００２６】
この点、本発明では、隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられている。逆に、冷媒外環室には隔壁の一部にしか隔壁連通開口が設けられていないことから、隔壁連通開口では冷媒流通路が狭くなっており、冷媒流通量が低減される。このため、冷媒外環室に導入された冷媒の大部分が抵抗の大きい冷媒中間室に充分に流入せずに短絡して流れるということを防止できる。また、冷媒が冷媒外環室を一部流れるようにすることにより、リング状壁の冷媒流入開口からの冷媒中間室への冷媒の流れが、冷媒中間室の外周近辺にまで流れるようになる。
【００２７】
したがって、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供することができる。
【００２８】
本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環室のリング状壁には、前記隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部が設けられており、上記突出部と冷媒中間室に設けられた前記ガス供給管との間隔は、ガス供給管同士の間隔よりも狭いことが好ましい。
【００２９】
すなわち、冷媒中間室に流入した冷媒は、冷媒中間室に複数設けられたガス供給管の間を通って、リング状壁に形成されている冷媒流出開口の方向へ流れる。この場合、リング状壁の冷媒中間室側の表面とガス供給管との間隔が、ガス供給管同士の間隔よりも広い場合には、冷媒は抵抗の少ないリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿って流れるので、各ガス供給管の間への流通量が少なくなる。
【００３０】
そこで、本発明では、冷媒外環室のリング状壁には、隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部を設け、この突出部と冷媒中間室に設けられたガス供給管との間隔を、ガス供給管同士の間隔よりも狭くしている。
【００３１】
この結果、冷媒は抵抗の大きいリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿った流域にはあまり流れない。
【００３２】
したがって、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを確実に回避し得る気相成長装置を提供することができる。
【００３３】
本発明の気相成長装置では、前記突出部は、前記リング状壁において弦を形成するように冷媒中間室側に突出していることが好ましい。
【００３４】
これにより、長い区域で、突出部と冷媒中間室に設けられたガス供給管との間隔を、ガス供給管同士の間隔よりも狭くすることができる。
【００３５】
したがって、抵抗の大きいリング状壁の冷媒中間室側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止することができる。
【００３６】
本発明の気相成長装置では、前記隔壁に形成された隔壁連通開口には、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーが形成されていることが好ましい。
【００３７】
これにより、隔壁に形成された隔壁連通開口にはテーパーが形成されているので、隔壁に形成された隔壁連通開口の出入口近傍での、流速がない部分を減少させることが可能となり、隔壁連通開口の冷媒の流通性を良くすることができる。尚、隔壁連通開口のテーパーは、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーのいずれであっても、隔壁連通開口の冷媒の流通性が良くなることが、シミュレーションにより確認できている。
【００３８】
本発明の気相成長装置では、前記隔壁に形成された隔壁連通開口は、複数箇所に形成されているとすることができる。
【００３９】
これによっても、隔壁連通開口の出入口近傍での流速がない部分を大きく減少できることが、シミュレーションにより確認できている。
【００４０】
本発明の気相成長装置では、前記冷媒外環導入室に冷媒を導入する冷媒導入口は、上記冷媒外環導入室に近づくに伴って入口面積が大きくなるように形成されていることが好ましい。
【００４１】
これにより、冷媒外環室の冷媒導入口近傍において、冷媒中間室への冷媒の流れと冷媒外環導入室への冷媒の流れとの間で乱流が生じることによって媒体の流れが妨げられることを防止することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の気相成長装置は、以上のように、シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開口が設けられているものである。
【００４３】
それゆえ、冷媒をシャワープレートの全域に流れるようにすることにより、シャワープレートの冷却を均一に行い、ガスのシャワープレートでの反応によるシャワープレートにおけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得る気相成長装置を提供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】
【００４４】
本発明の一実施形態について図１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
【００４５】
図２に、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１０の模式的な構成の一例を示す。
【００４６】
本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、図２に示すように、中空部である成長室１を有する反応炉２と、被成膜基板３を載置するサセプタ４と、上記サセプタ４に対向しかつ底面にシャワープレート２１を持つガス供給手段としてのシャワーヘッド２０とを含んでいる。
【００４７】
上記サセプタ４の下側には被成膜基板３を加熱するヒータ５及び支持台６が設けられており、支持台６に取り付けた回転軸７が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、上記サセプタ４及びヒータ５が、サセプタ４の上面（シャワープレート２１側の面）が対向するシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転するようになっている。上記サセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７の周囲には、ヒータカバーである被覆板８が、これらサセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７を取り囲むように設けられている。
【００４８】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０は、成長室１の内部のガスを周辺のガス排出口１ａを通して外部に排出するためのガス排出部１１と、このガス排出部１１に接続されたパージライン１２と、このパージライン１２に接続された排ガス処理装置１３とを有している。これにより、成長室１の内部に導入されたガスはガス排出部１１を通して成長室１の外部に排出され、排出されたガスはパージライン１２を通って排ガス処理装置１３に導入され、排ガス処理装置１３において無害化される。
【００４９】
さらに、ＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族元素を含む原料ガスとしてのIII 族系ガスの供給源となるIII 族系ガス供給源３１と、このIII 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのIII 族系ガス配管３２と、III 族系ガス供給源３１から供給されるIII 族系ガスの供給量を調節することができるIII 族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３３とを有している。上記III 族系ガス供給源３１は、III 族系ガス配管３２によって、マスフローコントローラ３３を介して、シャワーヘッド２０のIII 族系ガス供給部２３に接続されている。
【００５０】
なお、本実施の形態において、III 族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩｎ（インジウム）等があり、III 族元素を含むIII 族系ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスの１種類以上を用いることができる。
【００５１】
また、このＭＯＣＶＤ装置１０は、Ｖ族元素を含む原料ガスとしてのＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源３４と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族系ガスをシャワーヘッド２０に供給するためのＶ族系ガス配管３５と、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されるＶ族系ガスの供給量を調節することができるＶ族系ガス供給量調節部であるマスフローコントローラ３６とを有している。上記Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族系ガス配管３５によって、マスフローコントローラ３６を介してシャワーヘッド２０のＶ族系ガス供給部２４に接続されている。
【００５２】
なお、本実施の形態において、Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）又はＡｓ（ヒ素）等があり、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。
【００５３】
上記マスフローコントローラ３３・３６は図示しない制御部にて制御されるようになっている。
【００５４】
また、本実施の形態では、III 族系ガス供給部２３とシャワープレート２１との間に冷媒供給部２２が設けられており、この冷媒供給部２２には、シャワープレート２１を冷却するために、冷媒装置３７から冷媒供給配管３８を通して冷媒が供給されるようになっている。この冷媒は、シャワープレート２１の冷却を行った後、冷媒排出配管３９を通して図示しない排出ユーティリティへ排出されるようになっている。
【００５５】
なお、冷媒は、例えば、一般的な水を用いることができるが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。
【００５６】
次に、図３を用いてシャワーヘッド２０の構成を説明する。
【００５７】
シャワーヘッド２０は、図３に示すように、下から順番に、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４が積層されて構成されている。
【００５８】
上記シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３、及びＶ族系ガス供給部２４は積層配置であるため、本実施の形態では、Ｖ族系ガス供給部２４におけるガス中間室及びガス個別中間室としてのＶ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、ガス中間室及びガス個別中間室としてのIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ、及び冷媒中間室としての冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのＶ族系ガス供給管２４ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１に吐出される。
【００５９】
また、III 族系ガス供給部２３におけるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂのIII 族系ガスは、冷媒バッファエリア２２ｂを貫通して設けられたガス供給管及び個別ガス供給管としてのIII 族系ガス供給管２３ｃを通してシャワープレート２１のガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３から成長室１に吐出される。
【００６０】
以下、それぞれについて、詳細に説明する。
【００６１】
図３に示すように、シャワープレート２１には、前記成長室１にIII 族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガスを供給するためのガス吐出孔としてのＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート２１の面内（前記サセプタ４に向かい合っている表面内）において、III 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５とが交互に配列されている。図１に示す例においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。ただし、この格子は正方格子に限らず、菱形の格子等でもよい。また、図１に示す構成のシャワープレート２１における、III 族系ガス吐出孔Ｈ３（図１ではIII 族系ガス供給管２３ｃと表示）の開口部の面積と、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５（図１ではＶ族系ガス供給管２４ｃと表示）の開口部の面積とは同一となっている。
【００６２】
次に、各ガス供給部について説明する。
【００６３】
図３に示すように、III 族系ガス供給部２３は、シャワーヘッド２０の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔Ｈ３に導くため、III 族系ガス外環流路２３ａと、III 族系ガスバッファエリア２３ｂと、このIII 族系ガスバッファエリア２３ｂから成長室１に連通するIII 族系ガス供給管２３ｃとにより構成されている。なお、III 族系ガス供給管２３ｃの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
【００６４】
一方、同様に、Ｖ族系ガス供給部２４は、シャワーヘッド２０の周辺部より供給された反応ガスを均一にＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に導くため、冷媒外環室としてのＶ族系ガス外環流路２４ａと、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂと、Ｖ族系ガス供給管２４ｃとにより構成されている。なお、Ｖ族系ガス供給管２４ｃの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、角管、楕円管又はその他の断面でもよい。
【００６５】
ここで、図４は、Ｖ族系ガス外環流路２４ａを示す斜視図である（III 族系ガス外環流路２３ａも構造は同じであるため、説明は省略する）。
【００６６】
例えば、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの横方向から供給されたＶ族系ガスは、Ｖ族系ガス外環流路２４ａの内周側に均等配置された複数の開口Ｈを有する開口付き内側壁であるＶ族系ガス開口付きリング２４ｄを介して、半径方向の内部に均一にＶ族系ガスバッファエリア２４ｂへ供給される。そして、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂのＶ族系ガスは、前記複数のＶ族系ガス供給管２４ｃを通って、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５から成長室１へ供給される。
【００６７】
すなわち、図３に示すように、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ内には、Ｖ族系ガス供給管２４ｃが、それぞれのガスが混合しないよう分離されて配置されている。つまり、III 族系ガスバッファエリア２３ｂの平面においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の位置には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂからIII 族系ガス吐出孔Ｈ３へ連通されるIII 族系ガス供給管２３ｃが配置されていると共に、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ５の位置には、Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂからＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通されるＶ族系ガス供給管２４ｃが柱のように林立していることになる。
【００６８】
次に、冷媒供給部２２について、図５（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
【００６９】
上記冷媒供給部２２は、図２に示すシャワープレート２１を一定の温度以下に冷却することによって、シャワープレート２１への反応生成物の付着を抑制し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを防止する。
【００７０】
ところで、この冷媒供給部について、例えば、図１４に示す従来の特許文献３に記載の反応容器３００では、冷媒を、ギャラリー３０６を介して冷却チャンバ３０５内に導入している。このため、冷媒がショートカットして流れる等、冷却チャンバ３０５の冷媒の流れが悪く、その結果、冷却能力が充分に発揮されず、ガス吐出孔の詰まりという問題が生じていた。
【００７１】
そこで、本実施の形態では、このような課題を解決するために、シャワーヘッド２０の冷媒供給部２２を、図５（ａ）（ｂ）に示す構成としている。
【００７２】
すなわち、シャワーヘッド２０は、外側枠を構成する環状のフランジ２５と、このフランジ２５の最底面部に取り付けられるシャワープレート２１と、前記冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂをそれぞれ上下方向で区画するために上記シャワープレート２１と平行に配される境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃとを備えている。
【００７３】
そして、上記シャワープレート２１と境界板２６ａとの間には、冷媒を前記冷媒バッファエリア２２ｂに流入させる冷媒外環室２７を、フランジ２５の内側側面に形成するためのリング状壁としての冷媒用リング状壁２２ｄが設けられている。また、上記境界板２６ａと境界板２６ｂとの間には、III 族系ガスを前記III 族系ガスバッファエリア２３ｂに流入させるIII 族系ガス外環流路２３ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのIII 族系ガス開口付きリング２３ｄが設けられている。さらに、上記境界板２６ｂと天板２６ｃとの間には、Ｖ族系ガスを前記Ｖ族系ガスバッファエリア２４ｂに流入させるＶ族系ガス外環流路２４ａをフランジ２５の内側側面に形成するためのＶ族系ガス開口付きリング２４ｄが設けられている。
【００７４】
上記冷媒外環室２６には、フランジ２５の一端に設けられた冷媒供給配管３８からの冷媒導入口３８ａから冷媒が供給されると共に、この冷媒外環室２６の冷媒は、このフランジ２５における冷媒供給配管３８とは１８０度対向する位置に設けられた冷媒排出配管３９への冷媒排出口３９ａ（図１参照）から排出されるようになっている。
【００７５】
本実施の形態では、特に、図６（ａ）に示すように、この環状の冷媒外環室２７を冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに区画する隔壁としての冷媒外環室隔壁２８が、複数箇所としての例えば２箇所に設けられている。具体的には、冷媒外環室隔壁２８は、冷媒外環室２７における、上記冷媒供給配管３８から例えば±９０度の位置にそれぞれ設けられている。なお、この±９０度の位置は、必ずしもこれに限らない。すなわち、冷媒外環室隔壁２８・２８は、冷媒外環室２７において、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ直線に対して、線対称となるように設けられていればよい。
【００７６】
また、本実施の形態では、特に、冷媒外環室隔壁２８の一部には、図６（ｂ）にも示すように、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。
【００７７】
さらに、冷媒外環室２７の冷媒用リング状壁２２ｄには、図６（ａ）に示すように、冷媒外環室隔壁２８の近傍における冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出する突出部Ｐを設け、この突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。このため、冷媒は抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域にはあまり流れないようになっている。尚、本発明においては、突出部Ｐは必ずしも設けてなくてもよい。
【００７８】
この突出部Ｐは、本実施の形態では、特に、冷媒用リング状壁２２ｄにおいて弦を形成するように冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出している。これにより、長い区域で、突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。
【００７９】
したがって、抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止している。
【００８０】
図５（ａ）（ｂ）に示す上述したフランジ２５、シャワープレート２１、境界板２６ａ・２６ｂ及び天板２６ｃ、冷媒用リング状壁２２ｄ、III 族系ガス開口付きリング２３ｄ及びＶ族系ガス開口付きリング２４ｄ、並びに冷媒外環室隔壁２８は、各冷媒及び各原料ガスが漏れないように、溶接により一体化されている。また、これにより、冷媒バッファエリア２２ｂ、III 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂがそれぞれ独立した部屋となっている。
【００８１】
上記構成の冷媒外環室２７を備えたシャワーヘッド２０における冷媒の流通経路について、図１に基づいて説明する。図１は、冷媒外環室２７における冷媒外環導入室２７ａを通して、冷媒バッファエリア２２ｂ及び冷媒外環排出室２７ｂへ冷媒を流した状態のシミュレーションを実施した結果を示す。
【００８２】
シミュレーション条件は、冷媒供給配管３８から１ｍ／ｓの流速にて冷媒を導入する条件にて実施した。本条件は、冷媒バッファエリア２２ｂ内を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの表面積、及び個数から算出されるコンダクタンスから設定した値である。
【００８３】
また、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの寸法は、内径Φ１７６ｍｍ、外径Φ２３０ｍｍ、及び高さ５ｍｍとしている。また、冷媒外環室隔壁２８はそれぞれ線対称で２箇所配置おり、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂの各室の体積が同体積になるように設定している。
【００８４】
さらに、冷媒外環導入室２７ａの側壁である冷媒用リング状壁２２ｄから冷媒を流入する冷媒用開口としての冷媒流入開口Ｈｉｎ、及び冷媒外環排出室２７ｂの冷媒用開口としての冷媒流出開口Ｈｏｕｔの直径及び配置については、冷媒供給配管３８と冷媒排出配管３９とを結ぶ中心軸の垂直方向に線対称となるように配置している。すなわち、冷媒流入開口Ｈｉｎ及び冷媒流出開口Ｈｏｕｔは、冷媒外環室隔壁２８において、１８０度対向する位置に設けられている。
【００８５】
この結果、冷媒の流れに関し、図１に示すように、冷媒外環室隔壁２８及び該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けて冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂを経由したことにより、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部に充分に供給されることがわかった。
【００８６】
すなわち、シミュレーションの結果、冷媒の流れに関し、冷媒外環室隔壁２８及び該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けたことにより、冷媒バッファエリア２２ｂの内部における冷媒流速の冷媒流れ方向成分が、導入速度とほぼ同じ速度となり、かつ冷媒バッファエリア２２ｂの内部で略均一の分布となり、冷媒が均一に冷媒バッファエリア２２ｂの内部全体を冷却しているのがわかった。
【００８７】
次に、比較例として、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８を設けない場合について、シミュレーションを実施した結果を図７に示す。
【００８８】
図７に示すシミュレーション結果では、シャワープレート２１の中心部へは殆ど冷媒が供給されていないことが分かる。すなわち、殆どの冷媒は、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を通らず、冷媒外環室２７内をそのまま通過し、冷媒排出配管３９へ流れていく。
【００８９】
この結果から、比較例では、III 族系ガス供給管２３ｃ又はＶ族系ガス供給管２４ｃが冷媒バッファエリア２２ｂの内部に無数に存在しているため、冷媒にとっては非常に抵抗が大きく、全て流速抵抗が少ない方へ冷媒が流れているのが分かる。
【００９０】
したがって、この結果から、冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８・２８を設け、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとに冷媒外環室隔壁２８にて区画し、該冷媒外環室隔壁２８の一部に隔壁連通開口２８ａを設けることが効果的であることが分かった。
【００９１】
尚、本実施の形態では、冷媒外環室２７においては、冷媒外環室隔壁２８を左右に２個設けたため、冷媒外環導入室２７ａ及び冷媒外環排出室２７ｂがそれぞれ一室ずつとなったが、必ずしもこれに限らず、例えば、冷媒外環室隔壁２８を複数設けて、各室を増やしてもよい。
【００９２】
最後に、III −Ｖ族化合物半導体結晶を本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いたＭＯＣＶＤ法により成長させてIII −Ｖ族化合物半導体を製造する方法を、図２に基づいて説明する。
【００９３】
すなわち、図２に示す構成の本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて、III −Ｖ族化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる際には、まず、サセプタ４上に下地となる被成膜基板３が設置される。その後、回転軸７の回転により、サセプタ４の上面に設置された被成膜基板３の表面がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ５の加熱により、サセプタ４を介して被成膜基板３が所定の温度に加熱される。そして、シャワープレート２１に形成されているIII 族系ガス吐出孔Ｈ３からIII 族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入されると共に、シャワープレート２１に形成されているＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からＶ族系ガスが成長室１に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。
【００９４】
これにより、被成膜基板３の表面上にIII −Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、III 族系ガスの供給量及びＶ族系ガスの供給量は、図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３・３６にて制御され、III 族系ガス及びＶ族系ガスのそれぞれが成長室１に供給されることになる。
【００９５】
III 族系ガス及びＶ族系ガスは、シャワープレート２１に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５からそれぞれ供給されていることから、被成膜基板３の表面上方におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ５との分布の偏りを低減することができる。
【００９６】
III 族系ガスとＶ族系ガスとが混合し濃度分布が均一となり、ヒータ５による被成膜基板３の加熱と相俟ってIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応が被成膜基板３の表面近傍において進行する。
【００９７】
ここで、本実施の形態では、冷媒供給部２２が設けられており、冷媒供給部２２では冷媒外環室２７に冷媒外環室隔壁２８・２８及び隔壁連通開口２８ａ・２８ａが設けられているので、冷媒が冷媒バッファエリア２２ｂの内部を効率よく循環する。この結果、冷媒バッファエリア２２ｂの内部を貫通するIII 族系ガス供給管２３ｃのIII 族系ガス及びＶ族系ガス供給管２４ｃのＶ族系ガスが充分に冷却されるので、シャワープレート２１のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５でガスが反応して析出し、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５が詰まるということがない。
【００９８】
したがって、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０を用いた場合には、従来の特許文献１〜２に記載の装置を用いた場合と比べて、被成膜基板３の表面におけるIII 族系ガスとＶ族系ガスとの気相反応の均一性を向上することができる。
【００９９】
すなわち、シャワープレート２１全面の温度及び反応ガスの温度を均一にすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、シャワープレート２１の表面、及びガス投入口での生成物付着によるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の詰り起因による流れの乱れをなくすことができる。また、反応ガスの温度均一化を図ることにより生成膜厚や組成比を向上させることができる。
【０１００】
なお、上記においては、III 族系ガス、Ｖ族系ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス及びＶ族系ガスと共に、不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室１に供給してもよい。
【０１０１】
また、上記においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３、及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５がそれぞれ円形である場合について説明したが、本発明においては、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の形状は特に限定されず、例えば、多角形又は楕円形等の形状にすることができる。
【０１０２】
また、上記においては、被成膜基板３を１枚設置した場合について説明したが、本発明においては、被成膜基板３は１枚だけでなく複数枚設置してもよい。
【０１０３】
さらに、本発明においては、ＭＯＣＶＤ装置１０を構成する反応炉２、シャワープレート２１及びその他の部材の形状が、図２に示す形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記の説明では、冷媒バッファエリア２２ｂの上には、III 族系ガスバッファエリア２３ｂとＶ族系ガスバッファエリア２４ｂとが異なる２層として積層されていたが、必ずしもこれに限らない。
【０１０４】
また、本発明においては、原料ガスの種類として、III 族系ガス及びＶ族系ガスに限ることはない。
【０１０５】
このように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０は、III 族系ガス及びＶ族系ガスの各原料ガスを吐出する複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５を配設したシャワープレート２１を介して被成膜基板３を収容する成長室１内に該III 族系ガス及びＶ族系ガスを供給して被成膜基板３に成膜する。上記シャワープレート２１上には、III 族系ガス及びＶ族系ガスをそれぞれ充満させるIII 族系ガスバッファエリア２３ｂ及びＶ族系ガスバッファエリア２４ｂと、III 族系ガス及びＶ族系ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒バッファエリア２２ｂとが、該冷媒バッファエリア２２ｂをシャワープレート２１側にして順に積層され、冷媒バッファエリア２２ｂには、該冷媒バッファエリア２２ｂからシャワープレート２１の複数のIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５に連通する複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられ、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲には、冷媒用リング状壁２２ｄを介して環状の冷媒外環室２７が設けられている。
【０１０６】
したがって、冷媒バッファエリア２２ｂの周囲に設けられた環状の冷媒外環室２７に導入された冷媒は、一部は冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流入開口Ｈｉｎを通して冷媒バッファエリア２２ｂに流入すると共に、他の一部は環状の冷媒外環室２７に流入する。
【０１０７】
しかし、冷媒バッファエリア２２ｂには複数のIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃが貫通して設けられているので、冷媒バッファエリア２２ｂの内部は冷媒の流入抵抗が大きい。このため、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分は、抵抗の小さい冷媒外環室２７を経由して冷媒排出口３９ａから外部に排出される。これにより、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分が、抵抗の大きい冷媒バッファエリア２２ｂに充分に流入せずに短絡して流れるので、シャワープレート２１の冷却を均一に行うことができないことになる。
【０１０８】
そこで、本実施の形態では、これを回避するために、冷媒外環室２７は、冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流入開口Ｈｉｎに対向する冷媒導入口３８ａから冷媒が導入される冷媒外環導入室２７ａと、該冷媒導入口３８ａの対向位置に設けられ、かつ冷媒バッファエリア２２ｂからの冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流出開口Ｈｏｕｔに対向する冷媒排出口３９ａから冷媒が排出される冷媒外環排出室２７ｂと、これら冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８とを備えていると共に、冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。
【０１０９】
すなわち、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを区画する冷媒外環室隔壁２８を設けただけでは、冷媒外環室２７には冷媒は流れない。
【０１１０】
この点、本実施の形態では、冷媒外環室隔壁２８の一部には、冷媒外環導入室２７ａと冷媒外環排出室２７ｂとを連通する隔壁連通開口２８ａが設けられている。逆に、冷媒外環室２７には冷媒外環室隔壁２８の一部にしか隔壁連通開口２８ａが設けられていないことから、隔壁連通開口２８ａでは冷媒流通路が狭くなっており、冷媒流通量が低減される。このため、冷媒外環室２７に導入された冷媒の大部分が抵抗の大きい冷媒バッファエリア２２ｂに充分に流入せずに短絡して流れるということを防止できる。また、冷媒が冷媒外環室２７を一部流れるようにすることにより、冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒流入開口Ｈｉｎからの冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒の流れが、冷媒バッファエリア２２ｂの外周近辺にまで流れるようになる。
【０１１１】
したがって、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、ガスのシャワープレート２１での反応によるシャワープレート２１におけるガス吐出孔の目詰まりを回避し得るＭＯＣＶＤ装置１０を提供することができる。
【０１１２】
ところで、冷媒バッファエリア２２ｂに流入した冷媒は、冷媒バッファエリア２２ｂに複数設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの間を通って、冷媒用リング状壁２２ｄに形成されている冷媒流出開口Ｈｏｕｔの方向へ流れる。この場合、冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面とIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔が、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔よりも広い場合には、冷媒は抵抗の少ない冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿って流れるので、各III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃの間への流通量が少なくなる。
【０１１３】
そこで、本実施の形態では、冷媒外環室２７の冷媒用リング状壁２２ｄには、冷媒外環室隔壁２８の近傍における冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出する突出部Ｐを設け、この突出部Ｐと冷媒バッファエリア２２ｂに設けられたIII 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃとの間隔Ｄ１を、III 族系ガス供給管２３ｃ及びＶ族系ガス供給管２４ｃ同士の間隔Ｄ２よりも狭くしている。
【０１１４】
この結果、冷媒は抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域にはあまり流れない。
【０１１５】
したがって、冷媒をシャワープレート２１の全域に流れるようにすることにより、シャワープレート２１の冷却を均一に行い、ガスのシャワープレート２１での反応によるシャワープレート２１におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ５の目詰まりを確実に回避し得るＭＯＣＶＤ装置１０を提供することができる。
【０１１６】
また、本実施の形態では、突出部Ｐは、冷媒用リング状壁２２ｄにおいて弦を形成するように冷媒バッファエリア２２ｂ側に突出している。これにより、長い区域で、抵抗の大きい冷媒用リング状壁２２ｄの冷媒バッファエリア２２ｂ側の表面に沿った流域に冷媒を殆ど流さないようにして、冷媒が周辺を短絡して流れるのを防止することができる。
【０１１７】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【０１１８】
例えば、上記実施の形態では、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａは断面長方形の開口となっているが、必ずしもこれに限らない。
【０１１９】
例えば、図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）に示すように、隔壁連通開口２８ａに断面台形のテーパーを形成しておくことができる。すなわち、隔壁連通開口２８ａを断面長方形の開口にすると、隔壁連通開口２８ａの出入口近傍において流速がない部分が発生する可能性がある。これに対して、隔壁連通開口２８ａに断面台形のテーパーを形成しておくことにより、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａの出入口近傍での、流速がない部分を減少させることが可能となり、隔壁連通開口２８ａの冷媒の流通性を良くすることができる。
【０１２０】
尚、隔壁連通開口２８ａのテーパーは、図８（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａから冷媒外環排出室２７ｂに向かって開口幅が広くなるテーパー、又は図９（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａから冷媒外環排出室２７ｂに向かって開口幅が広くなるテーパーのいずれであっても、隔壁連通開口２８ａの冷媒の流通性が良くなることが、図８（ａ）（ｂ）及び図９（ａ）（ｂ）に示すシミュレーション結果により確認できる。
【０１２１】
また、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１０では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環室隔壁２８に形成された隔壁連通開口２８ａは、複数箇所に形成されているとすることができる。
【０１２２】
これによっても、図１０（ａ）（ｂ）に示すシミュレーション結果により、隔壁連通開口２８ａの出入口近傍での流速がない部分を大きく減少できることが確認できる。
【０１２３】
また、上記の説明では、図１（ａ）等に示すように、冷媒外環導入室２７ａに冷媒を導入する冷媒導入口３８ａは、冷媒供給配管３８の円筒形を維持する断面長方形となっていて。
【０１２４】
しかし、必ずしもこれに限らず、例えば、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、冷媒外環導入室２７ａに近づくに伴って入口面積が大きくなるように断面台形に形成された冷媒導入口３８ｂとすることができる。
【０１２５】
これにより、冷媒外環室２７の冷媒導入口３８ｂの近傍において、冷媒バッファエリア２２ｂへの冷媒の流れと冷媒外環導入室２７ａへの冷媒の流れとの間で乱流が生じることによって媒体の流れが妨げられることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、シャワープレート上部の空間に周辺部よりガスを導入し、シャワープレートの複数のガス吐出孔から基板表面に反応ガスを供給するシャワープレートを用いた縦型のＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明における気相成長装置の実施の一形態を示すものであって、シャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。
【図２】上記気相成長装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】上記気相成長装置におけるシャワーヘッドの構成を示す断面図である。
【図４】上記シャワーヘッドにおけるＶ族系ガス供給部のＶ族系冷媒外環室の構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）はシャワーヘッドにおける冷媒供給部の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はシャワーヘッドの構成を示す組み立て分解斜視図である。
【図６】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の構成を示す平面図であり、（ｂ）は冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図７】比較例を示すものであり、冷媒外環室に冷媒外環室隔壁を設けない場合において、上記シャワーヘッドの冷媒供給部における冷媒の流れを示す平面図である。
【図８】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図９】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室の他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図１０】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室のさらに他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒外環室隔壁の構成を拡大して示す平面図である。
【図１１】（ａ）は上記シャワーヘッドにおける冷媒バッファエリア及び冷媒外環室のさらに他の変形例の構成を示す平面図であり、（ｂ）は上記冷媒外環室における冷媒供給配管の冷媒導入口の構成を拡大して示す平面図である。
【図１２】従来の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１３】従来の他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【図１４】従来のさらに他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 成長室
１ａ ガス排出口
２ 反応炉
３ 被成膜基板
４ サセプタ
５ ヒータ
７ 回転軸
１０ ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１ ガス排出部
１２ パージライン
２０ シャワーヘッド
２１ シャワープレート
２２ 冷媒供給部
２２ｂ 冷媒バッファエリア（冷媒中間室）
２２ｄ 冷媒用開口付きリング
２３ III 族系ガス供給部
２３ａ III 族系ガス冷媒外環流路
２３ｂ III 族系ガスバッファエリア（ガス中間室）
２３ｃ III 族系ガス供給管（ガス供給管）
２４ Ｖ族系ガス供給部
２４ａ Ｖ族系ガス冷媒外環流路
２４ｂ Ｖ族系ガスバッファエリア（ガス中間室）
２４ｃ Ｖ族系ガス供給管（ガス供給管）
２４ｄ Ｖ族系ガス開口付きリング
２７ 冷媒外環室
２７ａ 冷媒外環導入室
２７ｂ 冷媒外環排出室
２８ 冷媒外環室隔壁（隔壁）
２８ａ 隔壁連通開口
３８ 冷媒供給配管
３８ａ 冷媒導入口
３８ｂ 冷媒導入口
３９ 冷媒排出配管
３９ａ 冷媒排出口
４１ ガス導入口
４２ ガス導入口
４３ ガス導入口
４４ 突起
Ｄ１ 間隔
Ｄ２ 間隔
Ｈ 開口
Ｈ３ III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ５ Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈｉｎ 冷媒流入開口（冷媒用開口）
Ｈｏｕｔ 冷媒流出開口（冷媒用開口）
Ｐ 突出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、
上記シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、
上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、
上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、
上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、
上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開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】
前記冷媒外環室のリング状壁には、前記隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部が設けられており、
上記突出部と冷媒中間室に設けられた前記ガス供給管との間隔は、ガス供給管同士の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記突出部は、前記リング状壁において弦を形成するように冷媒中間室側に突出していることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記隔壁に形成された隔壁連通開口には、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーが形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記隔壁に形成された隔壁連通開口は、複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記冷媒外環導入室に冷媒を導入する冷媒導入口は、上記冷媒外環導入室に近づくに伴って入口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項１】
ガスを吐出する複数のガス吐出孔を配設したシャワープレートを通して、被成膜基板を収容する成長室内に該ガスを供給して上記被成膜基板に成膜する気相成長装置において、
上記シャワープレート上に、上記ガスを充満させるガス中間室と、上記ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒中間室とが、該冷媒中間室をシャワープレート側にして順に積層され、
上記冷媒中間室には、上記ガス中間室から上記シャワープレートの複数のガス吐出孔に連通する複数のガス供給管が貫通して設けられ、
上記冷媒中間室の周囲には、リング状壁を介して環状の冷媒外環室が設けられ、
上記冷媒外環室は、上記冷媒中間室への上記リング状壁に形成されている冷媒流入開口に対向する冷媒導入口から冷媒が導入される冷媒外環導入室と、該冷媒導入口の対向位置に設けられ、かつ上記冷媒中間室からの上記リング状壁に形成されている冷媒流出開口に対向する冷媒排出口から冷媒が排出される冷媒外環排出室と、上記冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを区画する隔壁とを備えていると共に、
上記隔壁の一部には、冷媒外環導入室と冷媒外環排出室とを連通する隔壁連通開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】
前記冷媒外環室のリング状壁には、前記隔壁の近傍における冷媒中間室側に突出する突出部が設けられており、
上記突出部と冷媒中間室に設けられた前記ガス供給管との間隔は、ガス供給管同士の間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記突出部は、前記リング状壁において弦を形成するように冷媒中間室側に突出していることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記隔壁に形成された隔壁連通開口には、冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が広くなるテーパー、又は冷媒外環導入室から冷媒外環排出室に向かって開口幅が狭くなるテーパーが形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記隔壁に形成された隔壁連通開口は、複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記冷媒外環導入室に冷媒を導入する冷媒導入口は、上記冷媒外環導入室に近づくに伴って入口面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２７６７５（Ｐ２０１０−２７６７５Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８３９５７（Ｐ２００８−１８３９５７）
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【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２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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