JP5051757B2 - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、気相成長装置および気相成長方法に関し、より好適には、気相反応により複数の基板上に同時に成膜を行なう気相成長装置および気相成長方法に関する。

従来の気相成長装置に関して、たとえば、特開平７−２３５５０１号公報には、反応ガスの消費量を少なくするとともに、チャンバ内壁へのガスパーティクルの付着を防止し、またウエハセットの自動化が可能で、膜厚、組成の均一な結晶成長を得ることを目的とした結晶成長装置が開示されている（特許文献１）。また、特開平８−３１６１５３号公報には、ガス供給量を均一にし、成長膜の膜厚、膜質のばらつきを削減することを目的とした気相成長装置が開示されている（特許文献２）。また、特開昭６０−９８６１８号公報には、装置を複雑にすることなく、小さなガス流量で均一な半導体薄膜の成長を得ることを目的とした半導体薄膜の気相成長装置が開示されている（特許文献３）。
特開平７−２３５５０１号公報 特開平８−３１６１５３号公報 特開昭６０−９８６１８号公報

気相成長装置を用いて成膜を行なう場合、基板と、これを保持し、加熱するサセプタとが設けられた反応室内に、複数の原料ガスを導入する。これらの原料ガスが、加熱された基板上で熱分解反応を起こし、化合物やその固溶体結晶となる。これにより、基板上でエピタキシャル成長などの薄膜成長が行なわれる。

このような気相成長装置では、１回の成長でより多くの基板を処理するために複数の基板を保持するサセプタを備えることが求められる。これに伴い、サセプタに対応した大きさの反応室が必要となる。一方、薄膜成長は、複数の原料ガスが混合し、基板上で反応することによって行なわれる。したがって、各基板に対して均一な特性の薄膜を成長させるには、反応室内での各原料ガスの分布が均一になることが必要となる。

図１７は、気相成長装置の一形態を示す断面図である。図１７および以降に続く図中では、ガスの流れが矢印で示されている。

図１７を参照して、気相成長装置１００は、反応室１０１、サセプタ１０２およびガス導入管１０３を含む。サセプタ１０２は、円盤形状を有する。サセプタ１０２は、複数の基板１０４を保持する。複数の基板１０４は、周方向に配列されている。複数の基板１０４は、図示しない加熱装置により所定の温度に加熱される。サセプタ１０２は、図示しないモータにより回転する。

反応室１０１は、サセプタ１０２の形状に対応した円筒形状を有する。反応室１０１の中心には、ガス導入管１０３が接続されている。原料ガスは、ガス導入管１０３を通じて反応室１０１に導入され、反応室１０１内で気相反応を起こす。反応した後の原料ガスは、サセプタ１０２の外周に向かって流れ、図示しない排気装置により反応室１０１の外部へと排気される。

ガス導入管１０３は、中間多重管１０６と、中間多重管１０６から連なるガス方向転換部１０７とを含む。中間多重管１０６には、ガス供給部１０５が接続されている。中間多重管１０６は、ガス供給部１０５から流入した複数種類の原料ガスを層別に流す。ガス方向転換部１０７は、中間多重管１０６を通過してきた原料ガスの流れを、サセプタ１０２の外周方向に向かう放射状の流れに変更させる。ガス方向転換部１０７は、ガス出口１０８を含む。ガス方向転換部１０７に流れる原料ガスは、ガス出口１０８を通じて反応室１０１に導入される。ガス供給部１０５は、原料ガスが中間多重管１０６内のガス流れと平行以外の方向（たとえば、中間多重管１０６内のガス流れに対して直角方向）から中間多重管１０６に流入するように、中間多重管１０６に接続されている。

図１８は、図１７中の気相成長装置で生じる流速分布の一例を示す図である。図１９は、図１７中の気相成長装置で生じる流速分布の別の例を示す図である。図中では、原料ガスの流速が矢印の太さで表わされており、矢印が太いほど流速が大きいことを表わす。

図１７から図１９を参照して、気相成長装置１００においては、ガス導入管１０３を通じて反応室１０１内に導入される原料ガスの流れに、下記に説明するような乱れが生じる。

中間多重管１０６内の原料ガスの流れ方向と、中間多重管１０６に対するガス供給部１０５の接続方向とが異なる場合、ガス供給部１０５から中間多重管１０６に流入する原料ガスの流れには、中間多重管１０６に対するガス供給部１０５の接続方向のベクトル成分が残る。このため、ガス方向転換部１０７から反応室１０１に導入される原料ガスの流速には、上記ベクトル成分に起因する偏りが生じる。

より具体的には、図１８に示すように、ガス供給部１０５が中間多重管１０６内のガス流れに直交する方向から中間多重管１０６に接続される場合、ガス出口１０８から反応室１０１に導入される原料ガスの流速は、ガス供給部１０５が接続される位相で相対的に小さくなり（図中の矢印１５５）、その反対側の位相で相対的に大きくなる（図中の矢印１５４）。また、図１９に示すように、図１８中のガス供給部１０５に対応するガス供給部１０５ｐと、ガス供給部１０５ｐとは反対側の位相に配置されるガス供給部１０５ｑとが中間多重管１０６に接続される場合、ガス供給部１０５ｐから中間多重管１０６に流入した原料ガスと、ガス供給部１０５ｑから中間多重管１０６に流入した原料ガスとが互いに衝突する。このため、ガス出口１０８から反応室１０１に導入される原料ガスの流速は、ガス供給部１０５ｐおよび１０５ｑがそれぞれ配置された位相で相対的に小さくなり（図中の矢印１６４）、その位相から９０°ずれた位相で相対的に大きくなる（図中の矢印１６５）。

このように原料ガスの流速に偏りが発生すると、反応室１０１において原料ガスの流れに偏りが生じる。このため、気相反応が不均一となり、基板上に成長する薄膜の特性に大きなばらつきが現れる。したがって、薄膜の特性のばらつきを低減させるためには、原料ガスの流れをガス導入管１０３内で整え、サセプタ１０２の外周方向に向かう原料ガスの流速を、ガス出口１０８の全周に渡って均一にする必要がある。

これに対して、原料ガスの流れを整える方法としては、（１）中間多重管１０６に接続される原料ガス供給の配管、つまりガス供給部１０５の数を増やす方法、（２）中間多重管１０６の全長を長くすることによって、原料ガスが中間多重管１０６を流れる間に流れを均等化させる方法、（３）中間多重管１０６の上方にバッファタンクを設け、そのバッファタンクに原料ガスを供給し、流れの偏りを抑えた後、中間多重管１０６に流す方法などが考えられる。

しかしながら、これらの原料ガスの整流手段においては、それぞれ以下に説明する課題がある。（１）については、多数の配管が必要となるため、気相成長装置の配管構造が複雑になる。（２）および（３）については、ガス導入管１０３に全長の長い管が必要となる、あるいはバッファタンクが必要となるため、装置の大型化が避けられない。さらに、原料ガス種の切り替え時に、ガス導入管１０３に切り替え前の原料ガスが滞留し、原料ガス種の切り替えがスムーズに実行されないという問題がある。このような問題は、たとえば、化合物半導体における発光素子用の成膜時のような、多層膜を成膜する際に、異なる種類の成膜の切り替えに悪影響を及ぼす。

一方、上述の特許文献１では、ガス供給ヘッドの管径内において反応ガスがサイド（水平）フローに変換される途中に、整流板が配置されている。しかしながら、特許文献１では、整流板が反応ガスが円周方向に放射状に拡散しながら流れる場所に配置されるため、局所的な整流効果は得られるものの、ガス供給ヘッド内のガス流れの全体的な偏りを整える効果は得られない。また、ガス流れを変更する部位の構造は複雑になるため、その部位に整流板を設けるには、ガス供給ヘッドの製作上困難が伴う。

また、上述の特許文献２では、ガス噴き出し口を有する拡散板が、サセプタの上方に配置されている。しかしながら、特許文献２では、複数種類の原料ガスが混合した後の経路上に拡散板が配置されるため、原料ガスの反応による生成物が整流板に付着するおそれがある。この場合、整流板のクリーニングが必要になるなどして、装置の運用が煩雑になる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、複数の基板に対して均一な特性の薄膜が形成される気相成長装置および気相成長方法を提供することである。

この発明に従った気相成長装置は、反応室と、反応室に設置されるサセプタと、反応室にガスを導入するガス導入管とを備える。サセプタは、複数の基板を保持する周辺部と、周辺部に取り囲まれた中心部とを含む。ガス導入管は、複数種類のガスを互いに分離して流す多重管構造を有する。ガス導入管は、中心部に向けてガスを流すガス流通部と、ガス流通部に流れるガスを方向転換させ、中心部から周辺部に向かう方向に流すガス方向転換部とを含む。ガスは、ガス流通部におけるガスの流れ方向とは異なる方向からガス流通部に流入する。気相成長装置は、ガス流通部に配置される整流部材をさらに備える。ガス流通部は、ガスが流入する第１部分と、第１部分に接続され、ガス方向転換部に連なる第２部分とを含む。第１部分と第２部分との接続部分に、整流部材が固定されている。

このように構成された気相成長装置によれば、ガス流通部へのガスの流入方向と、ガス流通部におけるガスの流れ方向との不一致に起因したガス流れの乱れを、整流部材によって抑制する。これにより、ガス導入管から反応室に均一な流速分布を有するガスを導入し、複数の基板に対して均一な特性の薄膜を成長させることができる。また、第１部分と第２部分との接続部分に整流部材が固定されるため、より簡易な構成で、整流部材をガス流通部に設けることができる。

また好ましくは、整流部材は、ガス流れに直交する平面内のガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる。このように構成された気相成長装置によれば、ガス流通部にガスの流量分布の偏りを緩和する整流部材を設けることによって、上記効果を奏することができる。

また好ましくは、ガスが、中心部を中心とする第１位相からガス流通部に流入し、第１位相の反対側の第２位相から流入しない場合に、整流部材は、第１位相で相対的に小さく、第２位相で相対的に大きくなるガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる。このように構成された気相成長装置によれば、整流部材によって、第１位相と第２位相との間で生じるガスの流量分布の偏りを緩和する。

また好ましくは、ガスが、中心部を中心とする第１位相からガス流通部に流入し、第１位相の反対側の第２位相からガス流通部に流入する場合に、整流部材は、第１位相および第２位相で相対的に小さく、第１位相および第２位相からずれた位相で相対的に大きくなるガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる。このように構成された気相成長装置によれば、整流部材によって、第１位相および第２位相と、これらの位相からずれた位相との間で生じるガスの流量分布の偏りを緩和する。

また好ましくは、整流部材は、ガスの流路面積、ガスの流れ方向およびガス流れが受ける抵抗の大きさの少なくともいずれか１つを制御することによって、ガスの流量分布の偏りを緩和する。このように構成された気相成長装置によれば、ガスの流量分布を自在に制御することができる。

この発明に従った気相成長方法は、上述のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、複数の基板上に薄膜を成長させる。このように構成された気相成長方法によれば、複数の基板に対して均一な特性の薄膜を成長させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、複数の基板に対して均一な特性の薄膜が形成される気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における気相成長装置を示す断面図である。図１を参照して、気相成長装置１０では、反応室１１に導入された原料ガスＡおよび原料ガスＢの気相反応により、基板２５上に結晶薄膜を形成する。押さえガスＣは、反応室１１において原料ガスＡおよび原料ガスＢをサセプタ２２上に留める役割を果たす。同時に、押さえガスＣは、サセプタ２２に対向する反応室１１の壁面１１ｃに、生成物が付着することを防ぐ役割を果たす。

気相成長装置１０は、下記の構成を備える。なお、図示されていないが、気相成長装置１０は、ガス供給装置および排気装置を含む。

気相成長装置１０は、反応室１１と、サセプタ２２と、ガス導入管１３とを含む。反応室１１は、大気と遮断されている。反応室１１の内部で原料ガスＡおよび原料ガスＢが気相反応を起こすことによって、基板２５に対して成膜が行なわれる。反応室１１の内部には、サセプタ２２とガス導入管１３の一部とが配置されている。サセプタ２２は、円盤形状を有する。反応室１１は、サセプタ２２の形状に対応した円筒形を有する。

図２は、図１中のサセプタの上面を示す斜視図である。図１および図２を参照して、反応室１１には、複数の基板２５が収容されている。複数の基板２５は、サセプタ２２の上面に配置されている。サセプタ２２は、複数の基板２５を保持する。

サセプタ２２は、周辺部２２ｓと中心部２２ｔとを含む。周辺部２２ｓは、環状に延在する領域に形成されている。中心部２２ｔは、周辺部２２ｓに取り囲まれた領域に形成されている。複数の基板２５は、周辺部２２ｓに配置されている。複数の基板２５は、周方向に並べられている。複数の基板２５は、互いに間隔を設けて配置されている。複数の基板２５は、サセプタ２２の円周方向に沿って環状に並んで配置されている。なお、複数の基板２５を周辺部２２ｓに配置するレイアウトは、図中に示すものに限られず、適宜変更される。

気相成長装置１０は、基板加熱用ヒータ２６を含む。基板加熱用ヒータ２６は、サセプタ２２によって保持された複数の基板２５を、所定の温度に加熱する。基板加熱用ヒータ２６には、ヒータ用電源装置、温度センサ、温度制御装置が接続されている。サセプタ２２は、回転軸２７を介して回転駆動機構としてのモータ２８に接続されている。基板２５への成膜時、モータ２８が駆動することによってサセプタ２２が回転する。

気相成長装置１０は、ガス排出部２４を含む。ガス排出部２４には、図示しない排気装置が接続されている。ガス排出部２４は、サセプタ２２の周辺部２２ｓの外周上に設けられている。図示しない排気装置が駆動することにより、気相反応後のガスがガス排出部２４を通じて反応室１１の外部に排出される。

ガス導入管１３は、反応室１１の中央部に配置されている。ガス導入管１３は、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを反応室１１の内部に導入する。ガス導入管１３は、複数種類のガスを層別に流す多重管構造を有する。本実施の形態では、２種類の原料ガスと１種類のパージガスとが使用されるため、ガス導入管１３は、各ガスを互いに接触させないように３層構造を有する。

ガス導入管１３は、互いに区画されたガス流路３１、ガス流路３２およびガス流路３３を形成する。ガス流路３１、ガス流路３２およびガス流路３３には、それぞれ原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣが流通する。ガス流路３１は、ガス導入管１３が有する多重管構造の中心に形成されている。ガス流路３２は、ガス流路３１の外周上に形成されている。ガス流路３３は、さらにガス流路３２の外周上に形成されている。

ガス導入管１３は、中間多重管１６と、ガス方向転換部１７とを含む。中間多重管１６は、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを、図１中の上から下に向けて流す。中間多重管１６は、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを、サセプタ２２の中心部２２ｔに向けて流す。中間多重管１６は、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを一方向に流す。中間多重管１６は、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを、周方向に並べられた複数の基板２５の中心に向けて流す。

ガス方向転換部１７は、中間多重管１６から連なって形成されている。ガス方向転換部１７は、サセプタ２２の直上に配置されている。ガス方向転換部１７の一部が、反応室１１の内部に配置されている。ガス方向転換部１７は、滑らかな曲線で構成されたラッパ状の形状を有する。ガス方向転換部１７は、ガス出口１８を含む。ガス出口１８は、反応室１１に開口する。ガス出口１８は、環状に延在する。ガス方向転換部１７は、中間多重管１６に流通するガス流れを、サセプタ２２の中心部２２ｔから周辺部２２ｓに向かう方向に変更させる。ガス方向転換部１７は、中間多重管１６に流通するガス流れを、サセプタ２２の周辺部２２ｓに向かう放射状の流れに変更させる。

原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣは、ガス出口１８を通じてガス方向転換部１７から反応室１１に導入される。反応室１１に導入された原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣは、サセプタ２２の外周に向けて放射状に流れる。

気相成長装置１０は、ガス供給部１５を含む。ガス供給部１５は、ガス入口１４を含む。ガス入口１４は、図示しないガス供給装置から延びる配管に接続されている。ガス供給部１５は、中間多重管１６に接続されている。原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣが供給される３つのガス供給部１５が、それぞれ、ガス流路３１、ガス流路３２およびガス流路３３に連通するように中間多重管１６に接続されている。ガス供給装置から供給される原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣは、ガス供給部１５を通じて中間多重管１６に流入する。

ガス供給部１５は、中間多重管１６におけるガスの流れ方向に直交する方向から中間多重管１６に接続されている。このような構成により、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣは、中間多重管１６におけるガスの流れ方向とは異なる方向、本実施の形態では、中間多重管１６におけるガスの流れ方向に直交する方向から中間多重管１６に流入する。

図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿ったガス供給管の断面図である。図１から図３を参照して、本実施の形態では、中心部２２ｔを中心とする位相Ｘ１にガス供給部１５が配置されている。

このような気相成長装置１０においては、ガス供給装置から配管を通ってガス入口１４に到達したガスは、図３中の矢印３６に示す方向の流れを持って中間多重管１６に流入する。中間多重管１６に入ったところでガスの流れは９０度下向きに変わり管の中を流れていく。この場合、中心部２２ｔに向かって流れる中間多重管１６内のガス流れが、中間多重管１６に流入する際の流れ方向成分を保持するため、中間多重管１６において、ガス流れに直交する平面内の原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣの流量分布にそれぞれ偏りが生じる。具体的には、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣの各流量分布は、位相Ｘ１で相対的に小さくなり、中心部２２ｔに対して位相Ｘ１の反対側の位相Ｘ２で相対的に大きくなる。

気相成長装置１０は、整流板４１を含む。整流板４１は、中間多重管１６に配置されている。整流板４１は、中間多重管１６の断面形状に対応した円盤状の板である。整流板４１には、複数のガス流通孔４２が形成されている。整流板４１は、中間多重管１６におけるガスの流れ方向に直交する平面内で延在する。中間多重管１６を流通するガスの全てが、ガス流通孔４２を通過する。ガス流通孔４２は、円形の開口面を有する。また、ガス流通孔４２は、円形以外の形状、たとえば四角形等の多角形の開口面を有してもよい。

整流板４１は、中間多重管１６における上記流量分布の偏りを緩和させるように設けられている。その具体的な形態について説明すると、ガス流路３１〜３３の各流路において、ガス流通孔４２の数は、位相Ｘ１で相対的に多く、位相Ｘ２で相対的に少ない。このような構成により、整流板４１が配置された平面において、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣの流路面積が、位相Ｘ１で相対的に大きくなり、位相Ｘ２で相対的に小さくなる。この結果、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣの上記流量分布の偏りがそれぞれ緩和される。

このように中間多重管１６に整流板４１を設けることによって、ガスが中間多重管１６に流入する際の流れ方向成分が抑制される。整流板４１を通過したガスは、ガス方向転換部１７を経てサセプタ２２の周辺部２２ｓに向けて放射状に流れる。このとき、整流板４１により流れが整えられたガス流れは、ガス出口１８の全周に渡って流速が均一となる。

この発明の実施の形態１における気相成長装置１０は、反応室１１と、反応室１１に設置されるサセプタ２２と、反応室１１にガスとしての原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣを導入するガス導入管１３とを備える。サセプタ２２は、複数の基板２５を保持する周辺部２２ｓと、周辺部２２ｓに取り囲まれた中心部２２ｔとを含む。ガス導入管１３は、複数種類のガスを互いに分離して流す多重管構造を有する。ガス導入管１３は、中心部２２ｔに向けてガスを流すガス流通部としての中間多重管１６と、中間多重管１６に流れるガスを方向転換させ、中心部２２ｔから周辺部２２ｓに向かう方向に流すガス方向転換部１７とを含む。ガスは、中間多重管１６におけるガスの流れ方向とは異なる方向から中間多重管１６に流入する。気相成長装置１０は、中間多重管１６に配置される整流部材としての整流板４１をさらに備える。

この発明の実施の形態１における気相成長方法は、気相成長装置１０を用いて、複数の基板２５上に薄膜を成長させる。

このように構成された、この発明の実施の形態１における気相成長装置１０および気相成長方法によれば、反応室１１に導入されるガスの流速が均一であるため、複数の基板２５間で起こる気相反応も均一となる。このため、基板２５上に成膜される薄膜の特性を複数の基板２５間で均一化できる。これにより、高い歩留まりで効率の良い成膜工程を実現できる。また、整流板４１によって薄膜の特性の均一性が確保されるため、中間多重管１６の全長を短くできる。これにより、装置の小型化を図ることができる。また、原料ガス種の切り替えを行なう場合であっても、中間多重管１６におけるガス滞留を最小化し、高品質な成膜が可能となる。

図４は、図３中の整流板の変形例を示す断面図である。図中では、説明を簡単にするため、ガス流路３１〜３３のうちガス流路３２の断面のみが示されている。図４を参照して、本変形例では、ガス流通孔４２の数は位相Ｘ１および位相Ｘ２の間で等しいが、ガス流通孔４２の開口面積が、位相Ｘ１で相対的に大きく、位相Ｘ２で相対的に小さい。このような構成によっても、上記と同様の効果を得ることができる。

図１中では、ガス方向転換部１７が滑らかな曲線により構成されるラッパ形状を有しているが、ガス方向転換部の形状はこれに限定されない。たとえば、ガス流れを中間多重管１６の先に設けた平板に衝突させ、流れの向きを平板に平行な方向に変えるような構成にしてもよい。

（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２における気相成長装置のガス導入管を示す分解組み立て図である。本実施の形態における気相成長装置は、実施の形態１における気相成長装置１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図５を参照して、本実施の形態では、中間多重管１６が、第１部分としての上流部１６ｍと第２部分としての下流部１６ｎとを接いで構成されている。上流部１６ｍには、ガス供給部１５が接続されている。下流部１６ｎは、ガス流れ変換部１７に連なる。整流板４１は、上流部１６ｍと下流部１６ｎとの継ぎ目に固定されている。

図６は、図５中の２点鎖線ＶＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図６を参照して、上流部１６ｍ、下流部１６ｎおよび整流板４１の固定構造について説明する。上流部１６ｍおよび下流部１６ｎは、フランジ部１６ｆを含む。整流板４１は、上流部１６ｍおよび下流部１６ｎのフランジ部１６ｆに両側から挟持されるフランジ部４１ｆを含む。フランジ部１６ｆおよび４１ｆには、ボルト６２が挿通されるボルト孔が形成されている。整流板４１は、ガス流通孔４２が形成される整流部４１ｈと、上流部１６ｍおよび下流部１６ｎと接合する接合部４１ｇとを含む。整流板４１は、上流部１６ｍおよび下流部１６ｎに両側から挟持された状態で、ボルト６２およびナット６３によって中間多重管１６に固定されている。

接合部４１ｇと上流部１６ｍおよび下流部１６ｎとの間には、それぞれシール部材６１が配置されている。シール部材６１には、ゴム、樹脂、金属などを材料とするＯリングやガスケットが用いられる。このような構成により、各層に流れるガスが上流部１６ｍと下流部１６ｎとの継ぎ目から漏れることを防止できる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。加えて、本実施の形態では、１本の中間多重管の内部に整流板４１を設ける場合と比較して、簡易な構成で整流板４１を設けることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、図３中の整流板４１の各種変形例について説明を行なう。なお、本実施の形態で参照する図では、説明を簡単にするため、ガス流路３１〜３３のうちガス流路３１のみが示されている。

図７は、図３中の整流板の第１変形例を示す断面図である。図７を参照して、本変形例では、気相成長装置は、整流板４１に替えて整流板７１を含む。整流板７１には、複数のガス流通孔７２が形成されている。複数のガス流通孔７２のうちのガス流通孔７２ｒは、ガス流れの上流側から下流側に向かうに従って位相Ｘ２から位相Ｘ１に近接するように傾斜して延びる。ガス流通孔７２ｒの数は、位相Ｘ２側で相対的に多く、位相Ｘ１側で相対的に少ない。このような構成によれば、ガスの流れ方向を制御することによって、中間多重管１６におけるガスの流量分布の偏りが緩和される。

図８は、図３中の整流板の第２変形例を示す断面図である。図８を参照して、本変形例では、気相成長装置は、整流板４１に替えて整流板７３を含む。整流板７３には、複数のガス流通孔７４が形成されている。位相Ｘ２側に配置されたガス流通孔７４の開口幅Ｄは、位相Ｘ１側に配置されたガス流通孔７４の開口幅Ｄよりも大きい。このような構成によれば、整流板７３によって、位相Ｘ２におけるガス流れがより大きく絞られる。このため、ガスの流路面積の制御を通じて、中間多重管１６におけるガスの流量分布が緩和される。

図９は、図３中の整流板の第３変形例を示す断面図である。図１０は、図９中の整流部材を示す斜視図である。図９および図１０を参照して、本変形例では、気相成長装置は、整流板４１に替えて整流部材７６を含む。整流部材７６は、衝立（ついたて）７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄ，７６ｅから構成されている。衝立７６ａ〜７６ｅは、位相Ｘ１側から位相Ｘ２に向けて順に配置されている。衝立７６ａ〜７６ｅは、中間多重管１６におけるガスの流れ方向に沿って延在する。衝立７６ａ〜７６ｅは、互いに間隔を隔てて配置されており、その間をガスが流れる。ガスの流れ方向に沿った衝立７６ａ〜７６ｅの全長をＬとするとき、位相Ｘ１側に配置された衝立７６ａの全長Ｌよりも、位相Ｘ２側に配置された衝立７６ｅの全長Ｌの方が大きい。

このような構成により、中間多重管１６を流通するガス流れが整流部材７６から受ける抵抗の大きさは、位相Ｘ１側よりも位相Ｘ２側の方で大きくなる。これにより、ガス流れが整流部材７６から受ける抵抗の制御を通じて、中間多重管１６におけるガスの流量分布が緩和される。

図１１は、図３中の整流板の第４変形例を示す断面図である。図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った中間多重管の断面図である。図１３は、図１１中の整流部材の部品図である。

図１１から図１３を参照して、本変形例では、気相成長装置は、整流板４１に替えて整流部材８１を含む。整流部材８１は、格子状に組み合わされた複数のＸ板８１ｘと複数のＹ板８１ｙとから構成されている。Ｘ板８１ｘおよびＹ板８１ｙは、それぞれ、図１１中のｘ軸方向およびｙ軸方向に延在する。ｘ軸方向は、位相Ｘ１と位相Ｘ２とを結ぶ方向に一致する。複数のＸ板８１ｘは、互いに間隔を設けてｙ軸方向に配列されている。複数のＹ板８１ｙは、互いに間隔を設けてｘ軸方向に配列されている。

Ｘ板８１ｘには、複数の溝８２が形成されている。Ｙ板８１ｙには、そのＹ板８１ｙに交差する複数のＸ板８１ｘの溝８２がそれぞれ嵌め合わされる複数の溝８３が形成されている。溝８２が中間多重管１６におけるガス流れに対して傾斜して形成されることにより、位相Ｘ２側の端に配置されたＹ板８１ｙは、ガス流れの上流側から下流側に向かうに連れて位相Ｘ２から位相１に近接する方向に傾くように設けられる。位相Ｘ２側から位相Ｘ１側に配列されたＹ板８１ｙの傾きは、位相Ｘ１に向かうほど小さくなる。位相Ｘ１側の端に配置されるＹ板８１ｙは、ガスの流れ方向に沿って延在するように設けられる。

このような構成によれば、ガスの流れ方向を制御することによって、中間多重管１６におけるガスの流量分布の偏りが緩和される。図８に示す形態と比較して、ガスが流通する孔の開口率を大きく設定できるため、整流部材８１で受ける抵抗を小さくできる。このため、原料ガス種を切り替えて成膜する工程に好適である。

このように構成された、この発明の実施の形態３における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

（実施の形態４）
図１４は、この発明の実施の形態４における気相成長装置のガス導入管を示す断面図である。図１５は、図１４中のＸＶ−ＸＶ線上に沿ったガス導入管の断面図である。図１５中では、説明を簡単にするため、ガス流路３１〜３３のうちガス流路３２の断面のみが示されている。本実施の形態における気相成長装置は、実施の形態１における気相成長装置１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１４および図１５を参照して、本実施の形態では、気相成長装置１０が、ガス導入部１５ｐおよび１５ｑを含む。ガス導入部１５ｐは、位相Ｘ１に配置され、ガス導入部１５ｑは、位相Ｘ１とは反対側の位相Ｘ２に配置されている。つまり、本実施の形態では、ガスが互いに対向する位相Ｘ１および位相Ｘ２から中間多重管１６に流入する。

この場合、ガス導入部１５ｐおよび１５ｑから中間多重管１６に入った原料ガスは、ガス導入部１５ｐとガス導入部１５ｑとの中間付近で衝突する。この衝突により、ガスの流れ方向は、ガスの流入方向の直交方向（図１５中の位相Ｘ３および位相Ｘ４方向）に変化する。

これに対して、本実施の形態では、中間多重管１６に整流板９１が配置されている。整流板９１には、複数のガス流通孔９２が形成されている。ガス流路３１〜３３の各流路において、ガス流通孔９２の数は、位相Ｘ１および位相Ｘ２で相対的に多く、位相Ｘ３および位相Ｘ４で相対的に少ない。このような構成により、中間多重管１６における原料ガスＡ、原料ガスＢおよび押さえガスＣの流量分布の偏りがそれぞれ緩和される。

図１６は、ガスの流入位置とガスの流量が大きくなる位置との関係を模式的に表わす図である。図１６（Ａ）を参照して、ガスが等間隔に配置された位相Ａ１，Ｂ１，Ｃ１から中間多重管１６に流入する場合、位相Ａ１と位相Ｂ１との中間にある位相Ｕ１、位相Ｂ１と位相Ｃ１との中間にある位相Ｕ２、位相Ｃ１と位相Ａ１との中間にある位相Ｕ３の各位置で、ガスの流量が大きくなる。

図１６（Ｂ）を参照して、ガスが等間隔に配置された位相Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２から中間多重管１６に流入する場合、位相Ａ２と位相Ｂ２との中間にある位相Ｖ１、位相Ｂ２と位相Ｃ２との中間にある位相Ｖ２、位相Ｃ２と位相Ｄ２との中間にある位相Ｖ３、位相Ｄ２と位相Ａ２との中間にある位相Ｖ４の各位置で、ガスの流量が大きくなる。

図１６（Ｃ）を参照して、ガスが位相Ａ３と、位相Ａ３の両側に９０°ずれて配置された位相Ｂ３および位相Ｃ３から中間多重管１６に流入する場合、位相Ａ３と位相Ｂ３との中間にある位相Ｗ１、位相Ａ３と位相Ｃ３との中間にある位相Ｗ３、位相Ａ３の反対側に配置される位相Ｗ２の各位置で、ガスの流量が大きくなる。

図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）の各気相成長装置において、中間多重管１６における流量分布の偏りを緩和させるように整流部材が設けられる。

図１６中において、各流入位置から流入するガス流量が均等である場合は、隣接する流入位置からの距離がほぼ等距離にある位相でガス流量が多くなる、という流量分布の偏りが発生する。このため、流量分布の偏りを緩和すべく、その位相付近の上流から下流へのガス流通を相対的に減少させる整流分布を有する整流部材が設けられる。

一方、ガスの流入位置が単数である場合には、流入位置の反対側にある位相でガス流量が多くなる。この場合、その流入位置に隣接する流入位置はそれ自身であるから、その流入位置から時計回りの向きおよび半時計回りの向きに距離がほぼ等しくなる位相で、ガス流量が多くなっていることになる。

この点は、多重管の最も内側に配置される最内管であっても、その外側に配置されるがゆえに、周方向の時計回りの向きと半時計回りの向きとのベクトルを有するガス流れに分かれる外管であっても、同様である。

但し、最内管では、流入位置から管内の中央部を通るガス流があるため、流入位置からほぼ等距離にある位相を中心とする周方向のガス流量分布は、最内管と外管とでは若干異なる。つまり、横軸を位相、縦軸を流量としたグラフを書くと、流入位置からほぼ等距離にある位相を中心とする山形の曲線が引かれるが、山形のピーク高さや裾野広さ、斜面の形などが、最内管と外管とで異なってくる。このため、それぞれの管のガス流量分布の傾向に応じた整流分布を持つ整流部材が用いられる。

なお、各流入位置から流入するガス流量が均等でない場合は、隣接する流入位置からの距離がほぼ等距離にある位相から、そのガス流量比等のバランスに応じて位置ずれした位相でガス流量が多くなる、という流量分布の偏りが発生する。このため、その位置ずれを考慮した整流分布を有する整流部材が用いられる。

このように構成された、この発明の実施の形態４における気相成長装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

なお、以上に説明した実施の形態１〜４においては、３層のガス流路で構成された多重管について述べたが、これ以外の層の数の多重管を構成してもよい。また、実施の形態１〜４における気相成長装置の構造を適宜組み合わせて、新たな気相成長装置を構成してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における気相成長装置は、複数枚の基板を同時に処理する、ガスを反応室中央部から導入する気相成長装置において、ガス導入管から反応室に導入されるガスの流れが、ガス導入管へのガスの流入方向に寄らず均一となり、反応室内での均一な気相反応、つまりは成膜が可能となる装置である。これにより、高品質な成膜を高い歩留まりで効率良く製造することが可能となるため、薄膜成長により製造される半導体デバイスなどの電子デバイス製造において非常に有用である。

この発明の実施の形態１における気相成長装置を示す断面図である。 図１中のサセプタの上面を示す斜視図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿ったガス供給管の断面図である。 図３中の整流板の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における気相成長装置のガス導入管を示す分解組み立て図である。 図５中の２点鎖線ＶＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図３中の整流板の第１変形例を示す断面図である。 図３中の整流板の第２変形例を示す断面図である。 図３中の整流板の第３変形例を示す断面図である。 図９中の整流部材を示す斜視図である。 図３中の整流板の第４変形例を示す断面図である。 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った中間多重管の断面図である。 図１１中の整流部材の部品図である。 この発明の実施の形態４における気相成長装置のガス導入管を示す断面図である。 図１４中のＸＶ−ＸＶ線上に沿ったガス導入管の断面図である。 ガスの流入位置とガスの流量が大きくなる位置との関係を模式的に表わす図である。 気相成長装置の一形態を示す断面図である。 図１７中の気相成長装置で生じる流速分布の一例を示す図である。 図１７中の気相成長装置で生じる流速分布の別の例を示す図である。

符号の説明

１０ 気相成長装置、１１ 反応室、１３ ガス導入管、１６ 中間多重管、１６ｍ 上流部、１６ｎ 下流部、１７ ガス方向転換部、２２ サセプタ、２２ｓ 周辺部、２２ｔ 中心部、２５ 基板、４１，７１，７３ 整流板、７６，８１ 整流部材。

Claims (6)

1. 反応室と、
   複数の基板を保持する周辺部と、前記周辺部に取り囲まれた中心部とを含み、前記反応室に設置されるサセプタと、
   複数種類のガスを互いに分離して流す多重管構造を有し、前記反応室にガスを導入するガス導入管とを備え、
   前記ガス導入管は、
   前記中心部に向けてガスを流すガス流通部と、
   前記ガス流通部に流れるガスを方向転換させ、前記中心部から前記周辺部に向かう方向に流すガス方向転換部とを含み、
   ガスは、前記ガス流通部におけるガスの流れ方向とは異なる方向から前記ガス流通部に流入し、さらに、
   前記ガス流通部に配置される整流部材を備え、
   前記ガス流通部は、ガスが流入する第１部分と、前記第１部分に接続され、前記ガス方向転換部に連なる第２部分とを含み、
   前記第１部分と前記第２部分との接続部分に、前記整流部材が固定されている、気相成長装置。
2. 前記整流部材は、ガス流れに直交する平面内のガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる、請求項１に記載の気相成長装置。
3. ガスが、前記中心部を中心とする第１位相から前記ガス流通部に流入し、前記第１位相の反対側の第２位相から流入しない場合に、
   前記整流部材は、前記第１位相で相対的に小さく、前記第２位相で相対的に大きくなるガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる、請求項２に記載の気相成長装置。
4. ガスが、前記中心部を中心とする第１位相から前記ガス流通部に流入し、前記第１位相の反対側の第２位相から前記ガス流通部に流入する場合に、
   前記整流部材は、前記第１位相および前記第２位相で相対的に小さく、前記第１位相および前記第２位相からずれた位相で相対的に大きくなるガスの流量分布の偏りを緩和するように設けられる、請求項２に記載の気相成長装置。
5. 前記整流部材は、ガスの流路面積、ガスの流れ方向およびガス流れが受ける抵抗の大きさの少なくともいずれか１つを制御することによって、ガスの流量分布の偏りを緩和する、請求項２から４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の気相成長装置を用いて、前記複数の基板上に薄膜を成長させる、気相成長方法。

Images