JP2709182B2 - 気相成長装置及び気相成長制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、薄膜を成長させる気相成長装置および気相
成長制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

化合物半導体の気相成長装置（MOCVD装置）は、誘起
金属と水素化合物との混合ガスを、所定温度に加熱した
結晶基板上で反応、分解させ、薄膜結晶を成長させる装
置である。この装置は結晶の成長速度の制御性、操作の
単純性及び量産性に優れている。

このような気相成長装置の一例を第４図に示した。反
応器１内に、結晶基板２を保持するサセプタ３が設置さ
れている。サセプタ３は、回転自在に支持されている。
反応器１は上部に反応ガス供給口４を有し、下部に反応
ガス排出口５を有し、また反応器１の外周部には、結晶
基板２を加熱するための誘導加熱装置８が設けられてい
る。

結晶成長させるべき原料ガスを含む反応ガスは供給口
４から反応器１内に導入され、結晶基板２の表面で反
応、分解し結晶が成長する。

レーザや発光ダイオードなどの半導体装置を製造する
には、組成の異なる複数の結晶を積層して成長させるこ
とが必要である。この場合、組成の異なる結晶の界面に
おいて異なる材料の混在層を生じないようにしなけれ
ば、良好な特性を持つ半導体を製造することができる。
つまり、結晶基板に供給する異なる反応ガスが混合しな
いように切り替えて結晶基板に供給しなければならな
い。

しかし、従来の装置では、ガス導入部に渦流を生じ、
反応器内のガスは不整流となる。この不整流のために、
導入ガスの種類を変更しても結晶基板上に供給されるガ
スはシャープに切換えることができない。

特開昭63−318734号公報はこの問題を解決するために
ガス導入部に切換えガスの供給口を別に設け、２種のガ
スの混合を防止する工夫をしている。しかし、未だ完全
とはいえない。

また特開平２−28316号公報には原料ガスを、結晶基
板の位置する方向と逆方向の反応管の壁面へ向けて放出
する技術が開示されているが、閉鎖直管を用いているの
でガスは乱流状態で基板上に到達していることに変りは
なく、未だ十分に改善されたとは云えない。

特開平２−28928号公報には、パイロジェニックスチ
ーム酸化を行う拡散炉に、２種以上のプロセスガスを導
入する同心のガス導入管の内管をプロセスチューブ内に
挿入し、その先端部において外管の導入方向と逆方向に
中心線に対して10〜30゜の角度を以て放射状に噴出する
構造を示している。この装置はプロセスチューブ内の温
度均一化の点で従来装置よりすぐれているが、流動は乱
流であり、乱れを解消するには至っていない。したがっ
てこれらの装置では成膜品質が十分ではない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、次の問題を解決した気相成長装置及び気相
成長を適切に制御する方法を提供することを目的とする
ものである。

（ａ）結晶基板に当る原料ガスの切換を迅速にかつ完全
に行なうことができ、結晶界面に混合層を生じない良好
な半導体結晶を成長させることができること。

（ｂ）反応炉内部のガス流の乱れを抑制し、成膜品質の
向上を図ること。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、薄膜の気相成長装置において、この装置の
上部反応ガス導入口にレデューサの小径端を接続し、こ
のレデューサの大径端に半球殻体の大円を直接又は短直
管を介して連接し、この半球殻体の内面に沿ってレデュ
ーサの方向に向う気流を形成するガス送入管を設けた。
ガス送入管は、例えば、半球殻体の中心部を外から内側
に貫通する供給管を設け、その先端にガスを反射させて
半球殻体内面に向って噴出するようにしたものである。

この装置ではレデューサの小径部から、このレデュー
サの小径部と同径の直管を装置内に垂下すると一層好ま
しい。

また、レデューサの軸心に上方から原料ガスを導入す
る導入直管を挿入しこれを垂下すると、本来乱流条件と
なるべきガス量送入時において、乱流が抑制されたガス
流を得ることができる。さらにこの導入直管をレデュー
サを通ってその下方まで延長すると、ガス流を一層安定
化することができる。

以上の何れかの装置を用い、キャリアガス及び反応ガ
スを送気して結晶基板上の結晶を成長させるに当り、結
晶基板上の結晶成長反応状態を例えばレーザ等によって
測定し、この測定値に応じて送気量を制御することによ
って任意の正確な厚さの薄膜を得ることができる。

〔作用〕

軸対称の拡大または縮小流路に、この流路と同心の環
状の流速極小部を有する軸流方向の流体流を形成する
と、流体流中に旋回速度成分を自生する。この原理を応
用して、第１図に示すような管15にレデューサ14を介し
て半球殻状体20を連接して閉止し、この閉止端に向かっ
て送気管11から流体を送ると、垂下管15内に旋回流が発
生する。垂下管15内の流動は螺旋流ないし直線流（層
流）となる。この流体の流入速度の調整等によって、結
晶基板上の結晶の成長の促進、抑制を自由に制御するこ
とができる。またこのようにして導入される気流は空間
的、時間的に不安定な渦流を生ずることなく整流とな
り、パイロジェニック酸化装置においても良質な成膜を
確保することができ、また、異種のガスを切替えて成膜
するときガスの切替時に、前後のガスが混合しない。

また、本発明者らは先に特願平１−050125号公報にお
いて次の発明を提供した。すなわち、管路にレデューサ
を設け、このレデューサ内軸心位置及び／またはこのレ
デューサ出側の管内軸心位置に管路を流れる流体と別異
の細長の異物を同心に固定すると、レイノルズ数2300以
上の領域でも管路内流体を層流とすることができる。

本発明はこのような技術を応用して気相成長装置の結
晶基板上の結晶の成長状況を測定し、任意の所望の厚
さ、成膜速度、成分等になるように制御することができ
る。

〔実施例〕

第１図（ａ）は本発明装置の実施例の縦断面を示し
た。気相成長装置１の本体は結晶基板２を載せて回転す
るサセプタ３を備え、上方の送気管11からガスを導入し
下方の排出口５から排出する。レデューサ14の大径側に
半球殻体20を取付ける。レデューサ14の短径側を気相成
長装置１のガス導入口側に連結した。また、レデューサ
14の短径と同径の垂下管15を取付けた。

ガス送入管11は半球殻体20の端部に取付けた。送気管
11の他端はガス混合器16に結合した。ガス混合器16は原
料ガス17とキャリアガス18とを混合し、混合気体を送気
管11に送る。

ガス供給装置は送入ガスの量及び流れを任意に変更す
ることができる。また１つのガスのあとから他のガスを
ガスの混合を生ずることなく、乱流抑制状態で送入する
ことができる。

従って、結晶基板２上の膜厚の調整、異種ガスの混合
を生じない切替を容易に行なうことができる。

第１図（ｂ）は送気管11の先端形状を変えた実施例を
示したものである。

次に、第２図は本発明の別の実施例を示し、結晶成長
装置１の上部にレデューサ14、短直管13、半球殻体20を
連接し、レデューサ下端の垂下管を欠除し、送気管11を
短直管13に取付け、半球殻体20の内面に向けてガスを供
給するようにしたものである。この場合も第１図の例と
同様に、結晶基板上に到達するガスを自由に調節するこ
とができる。

第３図はレデューサ14の中又はレデューサ14を通過し
てその下方までレデューサ14の軸心に細い原料ガス導入
直管21を挿入した例を示した。このようにレデューサの
軸心に細長い挿入物を挿入した管系でも、高いレイノル
ズ数においても乱流は抑制される。原料ガス導入直管21
から供給されたガスは流れの中心を流れ、乱れが少な
い。この中心流を結晶基板上に到達させることによっ
て、薄膜の調整が容易にでき、また異種膜の境界部に混
合層を生じない。

第１〜３図に示す気相成長装置を用い、この装置内に
空気を導入し、結晶基板上に到達する気流の渦の発生を
調査した結果、渦の発生は格段に減少した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、反応炉内ガス流の乱れを抑制し、原
料ガスの切替の場合も結晶基板上に到達する異種のガス
が混合しないので、結晶界面に混合層を生じない良好な
半導体結晶を成長させることができ、その有用性は絶大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の実施例の縦断面図、第
２図は別の実施例の縦断面図、第３図（ａ）、（ｂ）は
他の実施例の縦断面図、第４図は従来の装置の縦断面図
である。 １……気相成長装置、２……結晶基板 ３……サセプタ、４……反応ガス供給口 ５……反応ガス排出口、８……加熱装置 11……ガス送入管、13……短直管 14……レデューサ、15……垂下管 16……混合室、17……原料ガス 18……キャリアガス、20……半球殻体 21……導入直管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−27690（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−72223（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−185017（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜の気相成長装置において、該装置の上
   部反応ガス導入口にレデューサの小径端を接続し、該レ
   デューサの大径端に半球殻体の大円を直接又は短直管を
   介して連接し、該半球殻体内面に沿う気流を形成するガ
   ス送入管を設けたことを特徴とする気相成長装置。
2. 【請求項２】レデューサの小径端から、該小径端と同形
   の直管を装置内に垂下した請求項１記載の気相成長装
   置。
3. 【請求項３】レデューサの軸心に、レデューサの小径端
   の直径より細い原料ガス導入直管を挿入垂下したことを
   特徴とする請求項１または２記載の気相成長装置。
4. 【請求項４】導入直管をレデューサを通過してその下方
   まで延長した請求項３記載の気相成長装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし４記載の何れかの装置を用
   い、キャリヤガスおよび反応ガスを送気して結晶基板上
   の結晶を成長させるに当り、結晶基板上の結晶成長反応
   状態を測定し、該測定値に応じて送気量を制御すること
   を特徴とする気相成長制御方法。