JP7744663B2 - High-temperature vapor phase growth apparatus and method for growing semiconductor crystal film - Google Patents
High-temperature vapor phase growth apparatus and method for growing semiconductor crystal filmInfo
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Description
本発明は、窒化アルミニウムおよび窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜の成長に最適な、高温用の気相成長装置および半導体結晶結晶膜の成長方法に関するものである。 The present invention relates to a high-temperature vapor phase growth apparatus and a method for growing semiconductor crystal films that are ideal for growing nitride semiconductor crystal films such as aluminum nitride and aluminum gallium nitride.
一般的に基板上に化合物半導体の結晶膜を成長させる場合、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などの気相成長法が用いられる。 Generally, when growing a crystalline film of a compound semiconductor on a substrate, vapor phase growth methods such as metalorganic chemical vapor deposition and molecular beam epitaxy are used.
図4に示すように、第1の従来の気相成長装置600(例えば特許文献1参照)を用いて、サファイア等からなる基板610上に窒化アルミニウムおよび窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜を、有機金属気相成長法を用いて成長させる場合、基板ホルダ615上に基板610を保持した状態で所定温度に該基板610を加熱し、原料ガス620を基板610と接触させることにより基板610上に窒化物半導体結晶膜を堆積させて成膜する。 As shown in Figure 4, when a first conventional vapor phase growth apparatus 600 (see, for example, Patent Document 1) is used to grow a nitride semiconductor crystal film such as aluminum nitride and aluminum gallium nitride on a substrate 610 made of sapphire or the like using metal organic chemical vapor deposition, the substrate 610 is heated to a predetermined temperature while held on a substrate holder 615, and a source gas 620 is brought into contact with the substrate 610 to deposit and form a nitride semiconductor crystal film on the substrate 610.
前記気相成長装置600は、基板610を保持する基板ホルダ615と、原料ガス620を基板610上に効率よく導くためのフローチャネル625と、発熱源となるサセプター630と、このサセプター630を加熱するRFコイル635とを備えている。 The vapor phase growth apparatus 600 includes a substrate holder 615 for holding a substrate 610, a flow channel 625 for efficiently directing a source gas 620 onto the substrate 610, a susceptor 630 as a heat source, and an RF coil 635 for heating the susceptor 630.
上記のように構成された気相成長装置600では、フローチャネル625内にガス供給口からガス排気口に向かって原料ガス620が基板610と平行に流れる。そして、サファイア等からなる基板610が所定の温度に加熱された状態で、基板610の上面がフローチャネル625内部を流れる原料ガス620と接触する。これにより基板620の上面に窒化アルミニウムや窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜が形成される。 In the vapor phase growth apparatus 600 configured as described above, source gas 620 flows parallel to the substrate 610 from the gas supply port toward the gas exhaust port within the flow channel 625. Then, with the substrate 610, made of sapphire or the like, heated to a predetermined temperature, the upper surface of the substrate 610 comes into contact with the source gas 620 flowing within the flow channel 625. This results in the formation of a nitride semiconductor crystal film, such as aluminum nitride or aluminum gallium nitride, on the upper surface of the substrate 620.
なお原料ガス620は、ガス供給口から供給され、フローチャネル625内を流れて、基板610の上面で結晶膜の成長に寄与する一方で、窒化物半導体結晶膜の成長に寄与しない原料ガス620は、ガス排気口から排出される。 The source gas 620 is supplied from a gas supply port, flows through a flow channel 625, and contributes to the growth of a crystal film on the upper surface of the substrate 610, while the source gas 620 that does not contribute to the growth of the nitride semiconductor crystal film is discharged from a gas exhaust port.
一般に、窒化アルミニウムや窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶の欠陥と結晶成長温度は逆比例することが知られている。すなわち結晶欠陥の少ない品質の良い結晶膜を得るためには、基板620の上面の温度を少なくとも1200℃以上の高温状態にする必要がある。また1800℃の高温が必要であるとの指摘もある(例えば特許文献2参照)。 It is generally known that defects in nitride semiconductor crystals such as aluminum nitride and aluminum gallium nitride are inversely proportional to the crystal growth temperature. In other words, to obtain a high-quality crystal film with few crystal defects, the temperature of the top surface of the substrate 620 must be at least 1200°C or higher. It has also been suggested that a temperature as high as 1800°C is necessary (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来の気相成長装置600をこのような高温にすると、フローチャネル625の水平方向から供給された原料ガス620は、ガス流速を速くしない限り、基板620に到達する前に原料ガス同士で反応してしまい、基板610の上面に到達する原料ガス620の量が減る。したがって原料ガス620の使用効率が低いという問題があった。 However, when a conventional vapor phase growth apparatus 600 is heated to such high temperatures, the source gas 620 supplied from the horizontal direction of the flow channel 625 reacts with itself before reaching the substrate 620 unless the gas flow rate is increased, reducing the amount of source gas 620 that reaches the upper surface of the substrate 610. This results in a problem of low utilization efficiency of the source gas 620.
また基板610を1200℃以上の高温に加熱すると、結晶膜を成長させる基板610の上面で強い熱対流が発生する。この高温加熱された基板620に起因する熱対流により原料ガス620が上昇し、フローチャネル625内に拡散する。拡散された原料ガス620の反応により生成された成分は、フローチャネル625の壁面をはじめ覗き窓(図示せず)等へ付着する。このために、ダストの発生や、基板620に成膜される結晶膜の内部へ不純物が混入する等の問題を有していた。さらに気相成長装置600内部が高温下に曝されるため、装置の各部品の劣化が激しく、装置の耐久性を著しく損ねるという問題もあった。 Furthermore, when the substrate 610 is heated to a high temperature of 1200°C or higher, strong thermal convection occurs on the upper surface of the substrate 610 on which the crystalline film is grown. This thermal convection caused by the highly heated substrate 620 causes the source gas 620 to rise and diffuse into the flow channel 625. Components produced by the reaction of the diffused source gas 620 adhere to the walls of the flow channel 625 as well as to the observation window (not shown). This causes problems such as the generation of dust and the incorporation of impurities into the crystalline film formed on the substrate 620. Furthermore, because the interior of the vapor phase growth apparatus 600 is exposed to high temperatures, there is also the problem of rapid deterioration of each component of the apparatus, significantly reducing the apparatus's durability.
この熱対流の発生を抑制するために、図5に示すような第2の従来の気相成長装置700(例えば特許文献3参照)が提案されている。この気相成長装置700は、反応容器710と、サセプター715と、ヒーター720と、原料ガス噴射管725と、副噴射管730とを具備している。 To suppress the occurrence of this thermal convection, a second conventional vapor phase growth apparatus 700 (see, for example, Patent Document 3) has been proposed, as shown in Figure 5. This vapor phase growth apparatus 700 comprises a reaction vessel 710, a susceptor 715, a heater 720, a source gas injection pipe 725, and an auxiliary injection pipe 730.
上記のように構成された気相成長装置700において、基板705はサセプター715の上に置かれ、ヒーター720によって結晶成長に必要な温度に加熱される。また結晶成長を均一にするために、サセプター715の下部に設けられたシャフト735によってサセプター715が回転する。原料である反応ガスは気相成長装置700の横方向にある原料ガス噴射管725から導入される。不活性ガスである押圧ガスは、基板705の上方の副噴射管730から導入される。 In the vapor phase growth apparatus 700 configured as described above, the substrate 705 is placed on the susceptor 715 and heated by the heater 720 to the temperature required for crystal growth. To ensure uniform crystal growth, the susceptor 715 is rotated by a shaft 735 attached to the bottom of the susceptor 715. The reactant gas, which is the raw material, is introduced through a raw material gas injection pipe 725 located laterally of the vapor phase growth apparatus 700. The pressurized gas, which is an inert gas, is introduced through a secondary injection pipe 730 above the substrate 705 .
つまり、加熱された基板705の表面に、基板705に対して平行方向から反応ガスを供給すると同時に、基板705に対して垂直上方から基板705に向かって、反応ガスを押圧するための押圧ガスを下方に吹き降ろす構成となっている。 In other words, the reactive gas is supplied to the surface of the heated substrate 705 in a direction parallel to the substrate 705, and at the same time, a pressurizing gas is blown downward from above the substrate 705 perpendicularly toward the substrate 705 to pressurize the reactive gas.
このような従来の気相成長装置700を用いて、サファイア等からなる基板705の上面に窒化アルミニウムおよび窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜を、1200℃を超えるような高温下で成長させる場合、反応ガスと押圧ガスを異なる方向から流して衝突させると、乱流や渦状の流れが発生し,その結果基板705の面内で不均一な結晶ができるという問題があった。すなわち膜厚にムラが生じ,基板705の上面には部分的に組成の異なる結晶ができるという問題があり、結晶膜の安定した品質を確保することは困難であった。 When such a conventional vapor phase growth apparatus 700 is used to grow a nitride semiconductor crystal film, such as aluminum nitride or aluminum gallium nitride, on the upper surface of a substrate 705 made of sapphire or the like at a high temperature exceeding 1200°C, if the reactive gas and the pressurizing gas are flowed from different directions and collide, turbulence or vortex flows are generated, resulting in the formation of non-uniform crystals within the surface of the substrate 705. In other words, there is a problem that unevenness occurs in the film thickness, and crystals with different compositions are formed in parts of the upper surface of the substrate 705 , making it difficult to ensure stable quality of the crystal film.
さらに本構成によれば、基板の垂直上方から吹き降ろされる押圧ガスにより、反応ガスの対流による上昇を抑制することはできても、押圧ガスが反応ガスの流れを減速させてしまい、反応ガスが基板705の上面に到達する前に、反応ガス同士で既に反応してしまい、基板705に到達する反応ガスの量が激減するという問題があった。その結果、結晶成長に寄与する反応ガスの割合が減少し、原料の使用効率が低下するという問題もあった。 Furthermore, with this configuration, although the pressurized gas blown down from vertically above the substrate can suppress the upward movement of the reactant gas due to convection, the pressurized gas slows down the flow of the reactant gas, causing the reactant gas to react with itself before it reaches the top surface of the substrate 705 , resulting in a drastic reduction in the amount of reactant gas that reaches the substrate 705. As a result, the proportion of the reactant gas that contributes to crystal growth decreases, and there is also the problem of a decrease in the efficiency of raw material use.
本発明の態様は、原料ガスを噴射する原料ガス噴射部と、基板を加熱するサセプター表面とが平行に配置された1200℃以上に加熱できる横型の気相成長装置であって、前記原料ガス噴射部とサセプターとの間に、前記原料ガスに向かって不活性ガスを噴射するための複数の空孔を有する第1のガス噴射部材が、少なくとも一つ以上配置されていることを要旨とする。 This aspect of the present invention is a horizontal vapor phase growth apparatus capable of heating to 1200°C or higher, in which a source gas injection unit that injects source gas and a susceptor surface that heats the substrate are arranged in parallel, and at least one first gas injection member having multiple holes for injecting an inert gas toward the source gas is arranged between the source gas injection unit and the susceptor.
本発明の態様において、前記第1のガス噴射部材に加えてサセプターの上部に同じく前記不活性ガスをサセプターに向けて噴射するための略々円柱状の複数の空孔を有する第2のガス噴射部材が、少なくとも一つ以上配置されていてもよい。 In this aspect of the present invention, in addition to the first gas injection member, at least one second gas injection member having a plurality of approximately cylindrical holes for injecting the inert gas toward the susceptor may be disposed above the susceptor.
本発明の態様において、前記第1のガス噴射部材と前記第2のガス噴射部材が連続して配置されていてもよい。 In one aspect of the present invention, the first gas injection member and the second gas injection member may be arranged consecutively.
本発明の態様において、前記第1のガス噴射部材と前記第2のガス噴射部材が連続して配置されていてもよい。 In one aspect of the present invention, the first gas injection member and the second gas injection member may be arranged consecutively.
本発明の態様において、前記第1のガス噴射部材の前記空孔は、原料ガスの流線と前記不活性ガスの流線のなす角度が鋭角となるように、鉛直方向に対して前記原料ガス噴射部方向に傾斜していてもよい。 In one aspect of the present invention, the holes of the first gas injection member may be inclined toward the source gas injection portion with respect to the vertical direction so that the flow lines of the source gas and the inert gas form an acute angle.
本発明の態様において、前記第1のガス噴射部材の空孔は、ガス流出側の空孔の断面積がガス流入側の空孔の断面積よりも小さいノズル形状としてもよい。 In one aspect of the present invention, the holes in the first gas injection member may be nozzle-shaped, with the cross-sectional area of the holes on the gas outflow side being smaller than the cross-sectional area of the holes on the gas inflow side.
本発明の態様において、前記一つ以上の第2のガス噴射部材において、ガス流出側に設けられた第2のガス噴射部材の複数の空孔の断面積の総和が、ガス流入側に設けられた第2のガス噴射部材の複数の空孔の断面積の総和よりも小さくしてもよい。 In one aspect of the present invention, the sum of the cross-sectional areas of the multiple holes in the one or more second gas injection members provided on the gas outlet side may be smaller than the sum of the cross-sectional areas of the multiple holes in the second gas injection member provided on the gas inlet side.
前記課題に鑑み本発明は、窒化アルミニウムおよび窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜を、1200℃を超えるような高温下で結晶成長させる場合であっても、均質な結晶膜を得ることを可能とし、また原料ガス50の使用利用効率を向上せしめ、高温下でも装置の各部品の温度上昇を抑制する気相成長装置を提供できる。 In consideration of the above-mentioned problems, the present invention provides a vapor phase growth apparatus that makes it possible to obtain uniform crystal films of nitride semiconductors such as aluminum nitride and aluminum gallium nitride, even when growing crystals at high temperatures exceeding 1200°C, improves the efficiency of use of the source gas 50, and suppresses temperature increases in each component of the apparatus even at high temperatures.
次に、図面を参照して、本発明の第一の実施形態を説明する。 Next, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態の気相成長装置1000の概略構成を示す。この気相成長装置1000は、サファイア等からなる基板111の上面に、アルミニウムまたはホウ素を含むIII族窒化物半導体層を成長させるためのものである。 Figure 1 shows the schematic configuration of a vapor phase growth apparatus 1000 according to this embodiment. This vapor phase growth apparatus 1000 is used to grow a Group III nitride semiconductor layer containing aluminum or boron on the upper surface of a substrate 111 made of sapphire or the like.
気相成長装置1000は、基板111を保持し、基板111を加熱するためのTaCコートカーボン製のサセプター112と、このサセプター112を加熱するための抵抗加熱式のヒーター115と、このヒーター115に電流を加えて加熱するための電流導入バー142とを備えている。なお本実施例ではヒーター115を抵抗加熱式のとしたが、高周波電磁誘導型の加熱であっても、ランプを用いた加熱であってもよい。 The vapor phase growth apparatus 1000 is equipped with a TaC-coated carbon susceptor 112 for holding and heating the substrate 111, a resistance heating heater 115 for heating the susceptor 112, and a current introduction bar 142 for applying current to the heater 115 for heating. While the heater 115 is a resistance heating type in this embodiment, it may also be a high-frequency electromagnetic induction type heater or a lamp-based heater.
原料ガス50が反応して結晶化したものが基板111の上面のみならず、基板111を保持するサセプター112の上面にも堆積して固着する。窒化物半導体を製造する上で加熱工程が繰り返されると、結晶化した堆積物とサセプターの熱膨張係数の違いにより、サセプター112には繰り返し応力が加わることになり、その結果サセプター112が破損する場合がある。これを防ぐために、サセプター112の外周にはサセプター112に結晶化した堆積物を付着させないように、TaCコートカーボン製の外周リング116が設けられている。 The source gas 50 reacts and crystallizes, depositing and adhering not only on the upper surface of the substrate 111 but also on the upper surface of the susceptor 112 that holds the substrate 111. When the heating process is repeated during the manufacture of nitride semiconductors, repeated stress is applied to the susceptor 112 due to the difference in thermal expansion coefficients between the crystallized deposits and the susceptor, which may result in damage to the susceptor 112. To prevent this, a TaC-coated carbon peripheral ring 116 is provided around the periphery of the susceptor 112 to prevent crystallized deposits from adhering to the susceptor 112.
この気相成長装置1000は、冷却用の不活性ガス55を噴射するための略々円柱状の複数の空孔120を有し、かつ基板111に対向するように配置された第1のガス第1のガス噴射部材121と、サセプター112側に配置されたベースプレート113と、反応付着物によって雰囲気および周辺が汚れないように流路ふた114を備えている。 This vapor phase growth apparatus 1000 has a plurality of roughly cylindrical holes 120 for injecting cooling inert gas 55, a first gas injection member 121 positioned opposite the substrate 111, a base plate 113 positioned on the susceptor 112 side, and a flow path lid 114 to prevent the atmosphere and surrounding area from being contaminated by reaction deposits.
図2の本発明の第一の実施形態における第1のガス噴射部の部分断面図に示すように、第1のガス噴射部材121の略々円柱状の複数の空孔120は、原料ガス50の流線と不活性ガス55の流線のなす角度θが鋭角となるように、鉛直方向に対して原料ガス噴射部150方向に傾斜している。 As shown in the partial cross-sectional view of the first gas injection section in the first embodiment of the present invention in Figure 2, the multiple, approximately cylindrical holes 120 in the first gas injection member 121 are inclined toward the source gas injection section 150 with respect to the vertical direction so that the angle θ between the flow line of the source gas 50 and the flow line of the inert gas 55 is an acute angle.
またサセプター112の下部に設けられた回転軸145とサセプター112が、回転手段(図示せず)によって一体的に回転するよう構成されている。 The rotation shaft 145 provided at the bottom of the susceptor 112 and the susceptor 112 are configured to rotate together by a rotation means (not shown).
さらに本実施形態の気相成長装置1000は、ヒーター115からの放熱や、ヒーター115により熱せられたサセプター112からの放熱が、回転軸145を通して下方に伝わることを軽減するためのリフレクター141を備えている。また高温に熱せられた原料ガス50のひとつであるアンモニアのためにヒーター115が腐食しないように、ヒーター115は例えばTaCコートカーボンやpBNコートカーボンからなる。もしくはSiCや高融点金属ヒーターであってもよい。 The vapor phase growth apparatus 1000 of this embodiment is further equipped with a reflector 141 to reduce the downward transmission of heat from the heater 115 and heat from the susceptor 112 heated by the heater 115 through the rotation shaft 145. To prevent the heater 115 from corroding due to ammonia, which is one of the source gases 50 heated to high temperatures, the heater 115 is made of, for example, TaC-coated carbon or pBN-coated carbon. Alternatively, a SiC or high-melting-point metal heater may also be used.
たとえヒーター115が腐食性の高いアンモニアに対して耐性を有する場合でも、ヒーター115の劣化を防ぐために、アンモニアをヒーター115に接触させないことが必要である。そこでヒーター115周辺を陽圧にするためヒーターカバー143を設けて、回転軸145の内部の下方から、窒素または水素ガスを供給する構成としている。またサセプター112の下方であって、ヒーター115の中心部には、サセプター112の裏面の温度を計測するための熱電対144を設けている。 Even if the heater 115 is resistant to highly corrosive ammonia, it is necessary to prevent ammonia from coming into contact with the heater 115 to prevent deterioration of the heater 115. Therefore, a heater cover 143 is provided to create positive pressure around the heater 115, and nitrogen or hydrogen gas is supplied from below inside the rotating shaft 145. In addition, a thermocouple 144 is provided below the susceptor 112, in the center of the heater 115, to measure the temperature of the backside of the susceptor 112.
この本実施形態の気相成長装置1000において、原料ガス噴射部150は、上段ガス導入口153と中段ガス導入口152と下段ガス導入口151からなり、原料ガス噴射部150から供給された原料ガス50は、上流フローチャネル131内を流れて基板111の上面で反応し結晶膜を成長させる。結晶膜の成長に寄与しない原料ガス50は、下流フローチャネル132を通って排気口155から排出される。 In the vapor phase growth apparatus 1000 of this embodiment, the source gas injection unit 150 consists of an upper gas inlet 153, a middle gas inlet 152, and a lower gas inlet 151. The source gas 50 supplied from the source gas injection unit 150 flows through the upstream flow channel 131 and reacts on the upper surface of the substrate 111, growing a crystalline film. The source gas 50 that does not contribute to the growth of the crystalline film passes through the downstream flow channel 132 and is exhausted from the exhaust port 155.
サセプター112の鉛直方向の上方には空冷用の不活性ガス55を供給するための不活性ガス導入口125が設けられ、不活性ガス導入口125と第1のガス噴射部材121の間には、複数の第2のガス噴射部材122a、122bが設けられている。なお本実施形態では、第2のガス噴射部材を二つとしている。 An inert gas inlet 125 for supplying inert gas 55 for air cooling is provided vertically above the susceptor 112, and multiple second gas injection members 122a, 122b are provided between the inert gas inlet 125 and the first gas injection member 121. In this embodiment, two second gas injection members are provided.
これら第2のガス噴射部材122a,122bにおいて、不活性ガス55の分布を均一にし、かつ不活性ガス55の流速を大きくするために、不活性ガス55の流出側に設けられた第2のガス噴射部材122aの略々円柱状の複数の空孔の断面積の総和が、不活性ガス55の流入側に設けられた第2のガス噴射部材122bの略々円柱状の複数の空孔の断面積の総和よりも小さくなるように構成している。 In order to distribute the inert gas 55 uniformly and increase the flow rate of the inert gas 55 in these second gas injection members 122a, 122b, the sum of the cross-sectional areas of the multiple, approximately cylindrical holes in the second gas injection member 122a provided on the outlet side of the inert gas 55 is configured to be smaller than the sum of the cross-sectional areas of the multiple, approximately cylindrical holes in the second gas injection member 122b provided on the inlet side of the inert gas 55.
下段ガス導入口151からは、窒素原料であるアンモニアガスと水素もしくはアンモニアと窒素が導入され、中段ガス導入口152からは、有機金属原料を含んだ水素もしくは有機金属原料を含んだ窒素と、水素もしくは窒素が供給される。上段ガス導入口153からは水素または窒素が供給されるが、上段ガス導入口153から何も供給されなくても本発明の作用や効果を損ねるものではない。 The lower gas inlet 151 introduces ammonia gas, which is a nitrogen source, and hydrogen, or ammonia and nitrogen, while the middle gas inlet 152 supplies hydrogen containing an organometallic source, or nitrogen containing an organometallic source, and hydrogen or nitrogen. The upper gas inlet 153 supplies hydrogen or nitrogen, but the functions and effects of the present invention are not impaired even if nothing is supplied from the upper gas inlet 153.
有機金属原料としては、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、テトラエチルボロン等を用いる。 Organometallic raw materials include trimethylaluminum, trimethylgallium, triethylgallium, and tetraethylboron.
不活性ガス導入口125から供給される空冷用の不活性ガス55は、窒素、水素アルゴン、フッ素、ヘリウムのいずれでもよい。 The inert gas 55 for air cooling supplied through the inert gas inlet 125 may be nitrogen, hydrogen, argon, fluorine, or helium.
本実施例における、結晶成長の方法について説明する。本実施形態の気相成長装置1000を用いて窒化アルミニウムや窒化アルミニウムガリウム等の窒化物半導体結晶膜を成長させるために、原料ガス50を原料ガス噴射部150から導入する。ヒーター115によりサセプター112を介して所定の温度に加熱されたサファイア等の基板111は、回転手段(図示せず)によって回転軸145とサセプター112が、一体的に所定の速度で回転することにより、基板111の上面に窒化物半導体結晶膜を均一に成長させる。 The crystal growth method in this example will be described. To grow a nitride semiconductor crystal film such as aluminum nitride or aluminum gallium nitride using the vapor phase growth apparatus 1000 of this embodiment, a source gas 50 is introduced from the source gas injection unit 150. A substrate 111 such as sapphire is heated to a predetermined temperature via a susceptor 112 by a heater 115. The rotation shaft 145 and the susceptor 112 are rotated integrally at a predetermined speed by a rotation means (not shown), thereby growing a nitride semiconductor crystal film uniformly on the upper surface of the substrate 111.
空冷用の不活性ガス55は、不活性ガス導入口125から供給され、第2のガス噴射部材122b,122aを通過し、第1のガス噴射部材121を通過して上流フローチャネル131内に流入する。第2のガス噴射部材122aの複数の空孔の断面積の総和が、第2のガス噴射部材122bの複数の空孔の断面積の総和よりも小さくなるように構成しているので、流体の連続の法則にしたがい、不活性ガス55の流速は、第2のガス噴射部材122b通過後に増大し、第2のガス噴射部材122a通過後にさらに増大する。 Inert gas 55 for air cooling is supplied from the inert gas inlet 125, passes through the second gas injection members 122b and 122a, and the first gas injection member 121 before flowing into the upstream flow channel 131. Since the sum of the cross-sectional areas of the multiple holes in the second gas injection member 122a is configured to be smaller than the sum of the cross-sectional areas of the multiple holes in the second gas injection member 122b, in accordance with the law of continuity of fluids, the flow rate of the inert gas 55 increases after passing through the second gas injection member 122b and further increases after passing through the second gas injection member 122a.
図2の本発明の第一の実施形態における第1のガス噴射部の部分断面図に示すように、不活性ガス55が第1のガス噴射部材121に設けられた設けた略々円柱状の複数の空孔120を通過するとき、原料ガス50の流線と不活性ガス55の流線のなす角度θが鋭角となるように、鉛直方向に対して原料ガス噴射部150方向に傾斜している。 As shown in the partial cross-sectional view of the first gas injection unit in the first embodiment of the present invention in FIG. 2 , the inert gas 55 is inclined toward the source gas injection unit 150 with respect to the vertical direction so that when the inert gas 55 passes through a plurality of substantially cylindrical holes 120 provided in the first gas injection member 121, the angle θ between the flow line of the source gas 50 and the flow line of the inert gas 55 becomes an acute angle.
したがって不活性ガス55の速度ベクトルv2は、鉛直方向成分v2yに加えて水平方向成分v2xを有する。不活性ガス55の速度の鉛直方向成分v2yは、原料ガス50が鉛直方向上方に対流するのを抑制するように作用するため、原料ガス50を基板111の上面で効率よく反応させることができる。一方、不活性ガス55の速度の水平方向成分v2xは、原料ガス50の水平方向の速度ベクトルv1に加わり、原料ガス50の流速は加速されることになる。 Therefore, the velocity vector v2 of the inert gas 55 has a horizontal component v2x in addition to a vertical component v2y. The vertical component v2y of the velocity of the inert gas 55 acts to suppress the source gas 50 from convecting vertically upward, allowing the source gas 50 to react efficiently on the upper surface of the substrate 111. On the other hand, the horizontal component v2x of the velocity of the inert gas 55 is added to the horizontal velocity vector v1 of the source gas 50, accelerating the flow rate of the source gas 50.
その結果、気相成長の温度が1200℃を超えるような雰囲気中であっても、基板111に到達する前の原料ガス50の同士の反応を抑制することができ、サセプター112により所定の温度に熱せられた基板111に、効率よく原料ガス50を到達させ、基板111の上面で反応させることができる。したがって、原料ガス50の使用効率が格段に向上し、安価な結晶膜を提供することができる。 As a result, even in an atmosphere where the vapor phase growth temperature exceeds 1200°C, reaction between the source gas 50 molecules before it reaches the substrate 111 can be suppressed, and the source gas 50 can be efficiently delivered to the substrate 111 heated to a predetermined temperature by the susceptor 112, allowing it to react on the upper surface of the substrate 111. This significantly improves the efficiency of use of the source gas 50, making it possible to provide an inexpensive crystal film.
基板111の上面に結晶成長を促すために、基板111を1200℃以上の高温に維持する一方で、基板111の上面以外は高温である必要はない。気相成長装置1000の各部品の熱劣化を防ぐためにも、また原料ガス50の結晶成長に寄与しない、基板111の上面以外の場所での反応を防ぐためにも、気相成長装置1000をなるべく低い温度に維持することが望ましい。 While the substrate 111 is maintained at a high temperature of 1200°C or higher to promote crystal growth on the top surface of the substrate 111, areas other than the top surface of the substrate 111 do not need to be at high temperatures. It is desirable to maintain the vapor phase growth apparatus 1000 at as low a temperature as possible to prevent thermal degradation of the components of the vapor phase growth apparatus 1000 and to prevent reactions in areas other than the top surface of the substrate 111 that do not contribute to the crystal growth of the source gas 50.
気相成長装置1000を冷却するためには、不活性ガス55と気相成長装置1000の各部品との間の熱伝達率を極力大きくすることが必要である。熱伝達率は、不活性ガス55と気相成長装置1000の各部品の間に生じる温度境界層の厚みと逆比例の関係にあるので、温度境界層を薄くすることで、冷却効果を高めることができる。この温度境界層と、不活性ガス55と気相成長装置1000の各部品との間に生じる速度境界層は、ニュートンの冷却の法則にしたがい相似関係にあり、プラントル数が1である場合は、両者はほぼ等しい。したがって、不活性ガス55の流速を大きくすることが、気相成長装置1000の各部品の温度上昇を防ぐことになる。 In order to cool the vapor phase growth apparatus 1000, it is necessary to maximize the heat transfer coefficient between the inert gas 55 and each component of the vapor phase growth apparatus 1000. The heat transfer coefficient is inversely proportional to the thickness of the thermal boundary layer that forms between the inert gas 55 and each component of the vapor phase growth apparatus 1000. Therefore, the cooling effect can be enhanced by thinning the thermal boundary layer. This thermal boundary layer and the velocity boundary layer that forms between the inert gas 55 and each component of the vapor phase growth apparatus 1000 are in a similar relationship according to Newton's law of cooling, and when the Prandtl number is 1, the two are approximately equal. Therefore, increasing the flow velocity of the inert gas 55 prevents the temperature of each component of the vapor phase growth apparatus 1000 from rising.
前述したように、不活性ガス導入口125より流入した不活性ガス55は、第2のガス噴射部材122bならびに122aを通過した後に増速され、第1のガス噴射部材121を通過し上流フローチャネル131に流入した際に、さらに増速されることになる。したがって、不活性ガス55と気相成長装置1000の各部品の間に生じる速度境界層は不活性ガス55の流速が大きくなるにつれて薄くなり、換言すると温度境界層は薄くなり、その結果、熱伝達率が増大し、高温に熱せられた気相成長装置1000の各部品を冷却することができ、各部品の劣化を防ぐことができる。 As described above, the inert gas 55 flowing in through the inert gas inlet 125 is accelerated after passing through the second gas injection members 122b and 122a, and is further accelerated when it passes through the first gas injection member 121 and flows into the upstream flow channel 131. Therefore, the velocity boundary layer generated between the inert gas 55 and each component of the vapor phase growth apparatus 1000 becomes thinner as the flow velocity of the inert gas 55 increases; in other words, the temperature boundary layer becomes thinner. As a result, the heat transfer coefficient increases, allowing each component of the vapor phase growth apparatus 1000 that has been heated to a high temperature to be cooled, and preventing deterioration of each component.
本発明の第二の実施形態における第1のガス噴射部の部分断面図を図3に示す。第一の実施形態と異なる点は、第二の実施形態の第1のガス噴射部221に複数設けられた空孔220の形状である。その他の構成は第一の実施形態と全く同様である。 Figure 3 shows a partial cross-sectional view of the first gas injection section in the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is the shape of the multiple holes 220 provided in the first gas injection section 221 of the second embodiment. The rest of the configuration is exactly the same as the first embodiment.
すなわちこの空孔220は、不活性ガス55の流出側の断面積が不活性ガス55の流入側の断面積よりも小さいノズル形状としている。不活性ガス55が流速v3で空孔220に流入すると、空孔220はガスの流出方向に断面が絞られているノズル形状となっているので、流体の連続の法則にしたがい、空孔220の断面積が小さくなるにつれて不活性ガス55の流速は増大し、流速v4で流出する。したがって、原料ガス50の流速を増大させるとともに、気相成長装置1000の各部品の冷却効果が得られるものである。 In other words, this hole 220 has a nozzle shape in which the cross-sectional area of the inert gas 55 outlet side is smaller than the cross-sectional area of the inert gas 55 inlet side. When the inert gas 55 flows into the hole 220 at flow velocity v3, the hole 220 has a nozzle shape in which the cross-section narrows in the gas outflow direction. Therefore, according to the law of continuity of fluids, as the cross-sectional area of the hole 220 becomes smaller, the flow velocity of the inert gas 55 increases, and the inert gas 55 flows out at flow velocity v4. Therefore, the flow velocity of the source gas 50 is increased and a cooling effect is obtained for each component of the vapor phase growth apparatus 1000.
1000 有機金属気相成長装置
50 原料ガス
55 不活性ガス
111 基板
112 サセプター
113 ベースプレート
114 流路ふた
115 ヒーター
116 外周リング
120 空孔
121 第1のガス噴射部材
122a、122b 第2のガス噴射部材
124 ガス拡散プレートキャップ
125 不活性ガス導入口
131 上流フローチャネル
132 下流フローチャネル
141 リフレクター
142 電流導入バー
143 ヒーターカバー
144 熱電対
145 回転軸
150 原料ガス噴射部
151 下段ガス導入口
152 中断ガス導入口
153 上段ガス導入口
155 排気口
220 空孔
221 ガス噴射部
600 気相成長装置
610 基板
615 基板ホルダ
620 原料ガス
620 基板
625 フローチャネル
630 サセプター
635 コイル
700 気相成長装置
705 基板
710 反応容器
715 サセプター
720 ヒーター
725 原料ガス噴射管
725 反応ガス噴射管
730 副噴射管
735 シャフト
1000 Metal-organic chemical vapor deposition apparatus 50 Source gas 55 Inert gas 111 Substrate 112 Susceptor 113 Base plate 114 Flow path cover 115 Heater 116 Outer ring 120 Hole 121 First gas injection member 122a, 122b Second gas injection member 124 Gas diffusion plate cap 125 Inert gas inlet 131 Upstream flow channel 132 Downstream flow channel 141 Reflector 142 Current introduction bar 143 Heater cover 144 Thermocouple 145 Rotating shaft 150 Source gas injection unit 151 Lower gas inlet 152 Intermediate gas inlet 153 Upper gas inlet 155 Exhaust port
220 Vacancy
221 Gas injection unit
600 Vapor phase growth apparatus
610 substrate
615 Substrate holder
620 Raw material gas
620 substrate
625 Flow Channel
630 susceptor
635 coil
700 Vapor phase growth equipment
705 Substrate
710 Reaction vessel
715 susceptor
720 heater
725 Raw material gas injection pipe
725 Reaction gas injection tube
730 Sub-injection pipe
735 shaft
Claims (5)
水平面内における前記原料ガス噴射部と前記サセプターとの間に重複するように、前記原料ガスに向かって不活性ガスを噴射するための複数の空孔を有する第1のガス噴射部材が、少なくとも一つ以上配置されており、
前記基板をその上面に支持する前記サセプターと、前記原料ガス噴射部との間に、ベースプレートが配置されており、
前記原料ガスが前記サセプターに至る手前に、前記第1のガス噴射部材から前記不活性ガスが前記ベースプレート上に噴射される領域が設けられ、
前記第1のガス噴射部材の前記空孔は、前記原料ガスの流線と前記不活性ガスの流線のなす角度が鋭角となるように、鉛直方向に対して前記原料ガスの進行方向に傾斜していることを特徴とする横型の気相成長装置。 A horizontal vapor phase growth apparatus in which a source gas injection unit that injects a source gas in a horizontal direction and a susceptor surface that heats a substrate are arranged in parallel, and the apparatus can heat an upper surface of the substrate to a temperature of 1200°C or higher,
at least one first gas injection member having a plurality of holes for injecting an inert gas toward the source gas is disposed between the source gas injection unit and the susceptor in a horizontal plane so as to overlap with the source gas injection unit,
a base plate is disposed between the susceptor, which supports the substrate on its upper surface, and the source gas injection unit;
a region where the inert gas is injected onto the base plate from the first gas injection member is provided before the source gas reaches the susceptor;
a horizontal vapor phase growth apparatus, wherein the holes of the first gas injection member are inclined with respect to a vertical direction in a direction of travel of the source gas so that a flow line of the source gas and a flow line of the inert gas form an acute angle.
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