知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-15
(45)【発行日】2024-04-23
(54)【発明の名称】半導体材料ガス反応装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/448 20060101AFI20240416BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240416BHJP
【ＦＩ】
C23C16/448
H01L21/205
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021201885
(22)【出願日】2021-12-13
(65)【公開番号】P2023087479
(43)【公開日】2023-06-23
【審査請求日】2023-03-01
(73)【特許権者】
【識別番号】320011650
【氏名又は名称】大陽日酸株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】内藤 一樹
(72)【発明者】
【氏名】清水 裕大
【審査官】吉森 晃
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１０５４８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特許第５７８７３２４（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開２００７－２１１３４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／２１２３０３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２３Ｃ １６／４４８
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体材料ガスを生成・供給するための半導体材料ガス反応装置であって、内部空間の下部に固体材料又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスを混合させた混合ガスを流し、前記固体材料又は前記液体材料と前記混合ガスとの反応により所望の半導体材料ガスを生成するための複数の反応容器と、
前記反応容器に前記混合ガスを輸送するガス流路と、
前記混合ガスと前記固体材料又は前記液体材料とが反応して得られた前記半導体材料ガスを前記反応容器から排出するガス流路と、
前記反応容器を加熱するための加熱機構と、
前記反応容器の上部及び下部に放熱防止用の断熱材を備える半導体材料ガス反応装置において、
前記半導体材料ガスを希釈ガスにより所望の濃度に希釈するための希釈構造を有し、
前記希釈構造は、前記半導体材料ガス反応装置の内部にあって、前記半導体材料ガスと前記希釈ガスを混合するための前記反応容器と同様の空間、又は前記半導体材料ガスに前記希釈ガスを輸送させる輸送管、又はこれらを組み合わせた構造からなり、半導体材料ガス排出管である材料ガス流路に希釈ガス導入用の石英管を合流させる構造である、
半導体材料ガス反応装置。
【請求項2】
さらに、半導体材料ガス排出構造を有する、請求項１に記載の半導体材料ガス反応装置。
【請求項3】
前記半導体材料ガス排出構造は、断熱材による断熱機構、真空封入管からなる真空断熱機構、ヒーターによる加熱機構、及びこれらのうち２種以上の組合せからなる群から選択される１種である、請求項２に記載の半導体材料ガス反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体材料ガス反応装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、次世代の半導体デバイスの材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）等のワイドギャップ半導体が盛んに研究されている。またＧａＡｓやＩｎＰを使用した超高効率低損失を実現する太陽電池の研究も行われている。これらデバイスの製造には主に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ法）が用いられているが、原料となる有機金属はＣを含むため一定量（１０１５ｃｍ－３以上）のＣが不純物として膜中に混入する。Ｃ濃度がｎ型不純物よりも高い場合、低濃度ｎ型伝導性制御が困難となるため、Ｃを含まない原料を使用することが理想である。
そこで注目されているのが特許文献１に示すハライド気相成長（ＨＶＰＥ法）である。ＨＶＰＥ法は例えば金属ガリウムと塩素系ガスを反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）や三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）を供給するため、原料に炭素（Ｃ）をほとんど含まないことがメリットである。原料が安価なので製造コストで秀でているが、現状技術では原料のＧａＣｌやＧａＣｌ３を炉内で生成しなければならないので、大口径量産型エピ成膜装置を実現する上で塩化ガリウム（又はＩｎＣｌ３やＡｌＣｌ３など金属塩化物）の供給方法は大きな課題である。またワイドギャップ半導体の普及のためには、エピコストを現在の１／１０以下（Ｓｉデバイス並みの低コスト）に低減することが要求されている。
そこで注目されているのが特許文献１に示すハライド気相成長（ＨＶＰＥ法）である。ＨＶＰＥ法は例えば金属ガリウムと塩素系ガスを反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）や三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）を供給するため、原料に炭素（Ｃ）をほとんど含まないことがメリットである。原料が安価なので製造コストで秀でているが、現状技術では原料のＧａＣｌやＧａＣｌ３を炉内で生成しなければならないので、大口径量産型エピ成膜装置を実現する上で塩化ガリウム（又はＩｎＣｌ３やＡｌＣｌ３など金属塩化物）の供給方法は大きな課題である。またワイドギャップ半導体の普及のためには、エピコストを現在の１／１０以下（Ｓｉデバイス並みの低コスト）に低減することが要求されている。
【0003】
特許文献１には、金属ガリウムと塩素ガスとを反応させて一塩化ガリウムガスを生成する第１工程と、生成した一塩化ガリウムガスと塩素ガスとを反応させて三塩化ガリウムガスを生成する第２工程と、を有する三塩化ガリウムガスの製造方法、及びその三塩化ガリウムガスの製造方法により三塩化ガリウムガスを製造する工程と、少なくとも前記三塩化ガリウムガスとアンモニアガスとを原料ガスとして用い、基体上に、気相成長法により、ガリウムを含む窒化物半導体結晶を成長させる工程と、を有する窒化物半導体結晶の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第５７８７３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、現状の小型ＨＶＰＥ装置ではエピコストの低減は困難であるため、大口径（６インチ）かつ複数枚対応の量産型ＨＶＰＥ成膜装置を開発し、低コスト化を実現することが必須である。
特許文献１に記載の窒化物半導体結晶の製造方法を実施するためのＨＶＰＥ装置は原料となる塩化ガリウムを反応炉内部で生成する内部供給方式である。この内部供給方式は石英反応炉を使用していることから、大口径複数枚対応が困難である。大口径複数枚対応可能な量産型ＨＶＰＥ装置を実現するためには、原料となる金属塩化物を反応炉外部から供給するための材料ガス反応装置（外部供給装置）及び供給技術確立が課題となる。外部供給技術が実現するとＭＯＣＶＤ装置で採用されている大口径複数枚のステンレス反応炉を採用した次世代の量産型ＨＶＰＥ装置が実現可能となる。
特許文献１に記載の窒化物半導体結晶の製造方法を実施するためのＨＶＰＥ装置は原料となる塩化ガリウムを反応炉内部で生成する内部供給方式である。この内部供給方式は石英反応炉を使用していることから、大口径複数枚対応が困難である。大口径複数枚対応可能な量産型ＨＶＰＥ装置を実現するためには、原料となる金属塩化物を反応炉外部から供給するための材料ガス反応装置（外部供給装置）及び供給技術確立が課題となる。外部供給技術が実現するとＭＯＣＶＤ装置で採用されている大口径複数枚のステンレス反応炉を採用した次世代の量産型ＨＶＰＥ装置が実現可能となる。
【0006】
本発明は、金属塩化物の安定大量供給を可能にさせる半導体材料ガス反応装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は以下の態様を含む。
［１］ 半導体材料ガスを生成・供給するための半導体材料ガス反応装置であって、
内部空間の下部に固体材料又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスを混合させた混合ガスを流し、前記固体材料又は前記液体材料と前記混合ガスとの反応により所望の半導体材料ガスを生成するための複数の反応容器と、
前記反応容器に前記混合ガスを輸送するガス流路と、
前記混合ガスと前記固体材料又は前記液体材料とが反応して得られた前記半導体材料ガスを前記反応容器から排出するガス流路と、
前記反応容器を加熱するための加熱機構と、
前記反応容器の上部及び下部に放熱防止用の断熱材を備える半導体材料ガス反応装置において、前記半導体材料ガスを希釈ガスにより所望の濃度に希釈するための希釈構造を有する半導体材料ガス反応装置。
［２］ 前記希釈構造は前記半導体材料ガス反応装置の内部にあって、前記半導体材料ガスと前記希釈ガスを混合するための前記反応容器と同様の空間、又は前記半導体材料ガスに前記希釈ガスを輸送させる輸送管、又はこれらを組み合わせた構造からなることを特徴とする、［１］に記載の半導体材料ガス反応装置。
［３］ さらに、半導体材料ガス排出構造を有する、［１］又は［２］に記載の半導体材料ガス反応装置。
［４］ 前記半導体材料ガス排出構造は、断熱材による断熱機構、真空封入管からなる真空断熱機構、ヒーターによる加熱機構、及びこれらのうち２種以上の組合せからなる群から選択される１種である、［３］に記載の半導体材料ガス反応装置。
［１］ 半導体材料ガスを生成・供給するための半導体材料ガス反応装置であって、
内部空間の下部に固体材料又は液体材料を収納し、前記内部空間の上部にキャリアガスと原料ガスを混合させた混合ガスを流し、前記固体材料又は前記液体材料と前記混合ガスとの反応により所望の半導体材料ガスを生成するための複数の反応容器と、
前記反応容器に前記混合ガスを輸送するガス流路と、
前記混合ガスと前記固体材料又は前記液体材料とが反応して得られた前記半導体材料ガスを前記反応容器から排出するガス流路と、
前記反応容器を加熱するための加熱機構と、
前記反応容器の上部及び下部に放熱防止用の断熱材を備える半導体材料ガス反応装置において、前記半導体材料ガスを希釈ガスにより所望の濃度に希釈するための希釈構造を有する半導体材料ガス反応装置。
［２］ 前記希釈構造は前記半導体材料ガス反応装置の内部にあって、前記半導体材料ガスと前記希釈ガスを混合するための前記反応容器と同様の空間、又は前記半導体材料ガスに前記希釈ガスを輸送させる輸送管、又はこれらを組み合わせた構造からなることを特徴とする、［１］に記載の半導体材料ガス反応装置。
［３］ さらに、半導体材料ガス排出構造を有する、［１］又は［２］に記載の半導体材料ガス反応装置。
［４］ 前記半導体材料ガス排出構造は、断熱材による断熱機構、真空封入管からなる真空断熱機構、ヒーターによる加熱機構、及びこれらのうち２種以上の組合せからなる群から選択される１種である、［３］に記載の半導体材料ガス反応装置。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、金属塩化物の安定大量供給を可能にさせる半導体材料ガス反応装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】半導体材料ガス反応装置。
【図2】半導体材料ガス合成部。
【図3】反応容器。
【図4】希釈構造の一態様。
【図5】希釈構造の別の態様。
【図6】希釈構造のさらに別の態様。
【図7】材料ガス流路と希釈ガス流路の合流構造。
【図8】半導体材料ガス排出構造。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下では本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変形が可能である。
【0011】
［半導体材料ガス反応装置］
図面を適宜参照しながら、本実施形態の半導体材料ガス反応装置の例について説明をする。
図１に示す半導体材料ガス反応装置１００は、半導体材料ガスを生成・供給するための半導体材料ガス反応装置である。
半導体材料ガス反応装置１００の収納容器１３の内部には、半導体材料ガス合成部２００が収納されている。
図面を適宜参照しながら、本実施形態の半導体材料ガス反応装置の例について説明をする。
図１に示す半導体材料ガス反応装置１００は、半導体材料ガスを生成・供給するための半導体材料ガス反応装置である。
半導体材料ガス反応装置１００の収納容器１３の内部には、半導体材料ガス合成部２００が収納されている。
【0012】
図２に示す半導体材料ガス合成部２００は、金属材料Ｍと原料ガスＧ１とを反応させて半導体材料ガスＧ２を合成する反応容器等で構成される。
【0013】
収納容器１３の内側に配置された半導体材料ガス合成部２００は、第１反応容器１、第２反応容器２、及び第３反応容器３を、この順に上限に積層した構造を有する。
第１反応容器１、第２反応容器２、及び第３反応容器３のそれぞれには、蓋部、底部及び側壁によって規定される内部空間が存在する。
第２反応容器２の蓋部は、第１反応容器１の底部で代用してもよい。同様に、第３反応容器の蓋部は第２反応容器の底部で代用してもよい。このように、一段上の反応容器の底部をその一段下の反応容器の蓋部として代用することによって、反応容器の構造をより簡略化できる。この場合、一段上の反応容器の底部とその一段下の反応容器の上部とは、内部空間からガスが漏れないように密着することが好ましい。
各反応容器は、８００℃以上の高温に耐えることから、例えば、石英又はグラファイト製とすることができるが、反応容器の側壁の内部にガス流路を配設するため、グラファイト製が好ましい。
第１反応容器１、第２反応容器２、及び第３反応容器３のそれぞれには、蓋部、底部及び側壁によって規定される内部空間が存在する。
第２反応容器２の蓋部は、第１反応容器１の底部で代用してもよい。同様に、第３反応容器の蓋部は第２反応容器の底部で代用してもよい。このように、一段上の反応容器の底部をその一段下の反応容器の蓋部として代用することによって、反応容器の構造をより簡略化できる。この場合、一段上の反応容器の底部とその一段下の反応容器の上部とは、内部空間からガスが漏れないように密着することが好ましい。
各反応容器は、８００℃以上の高温に耐えることから、例えば、石英又はグラファイト製とすることができるが、反応容器の側壁の内部にガス流路を配設するため、グラファイト製が好ましい。
【0014】
収納容器１３は、８００℃以上の高温に耐えることから、例えば、石英製とすることができる。
収納容器１３の外側には、収納容器内の反応容器を加熱するための加熱機構１７が設置されている。加熱機構１７としては、例えば、マントルヒーターを使用できる。前記マントルヒーターは、金属ガリウムと塩素ガスとの反応性を高めるため、８００℃以上に加熱できるものが好ましく、１０００℃以上に加熱できるものがより好ましい。マントルヒーターの加熱温度の上限は特に限定されないが、１５００℃以下が好ましく、１３００℃以下がより好ましい。
収納容器１３の内部は、断熱材１４と半導体材料ガス合成部２００との間の領域（ゾーン１）、半導体材料ガス合成部２００が配置された領域（ゾーン２）、半導体材料ガス合成部２００と断熱材１５との間の領域（ゾーン３）、収納容器１３の上部蓋と断熱材１４との間の領域、及び断熱材１５とフランジ１９との間の領域に分けられる。断熱材１４と断熱材１５に挟まれたゾーン１、ゾーン２、及びゾーン３は、それぞれ、加熱機構１６、加熱機構１７、及び加熱機構１８によって、加熱されている。
収納容器１３の外側には、収納容器内の反応容器を加熱するための加熱機構１７が設置されている。加熱機構１７としては、例えば、マントルヒーターを使用できる。前記マントルヒーターは、金属ガリウムと塩素ガスとの反応性を高めるため、８００℃以上に加熱できるものが好ましく、１０００℃以上に加熱できるものがより好ましい。マントルヒーターの加熱温度の上限は特に限定されないが、１５００℃以下が好ましく、１３００℃以下がより好ましい。
収納容器１３の内部は、断熱材１４と半導体材料ガス合成部２００との間の領域（ゾーン１）、半導体材料ガス合成部２００が配置された領域（ゾーン２）、半導体材料ガス合成部２００と断熱材１５との間の領域（ゾーン３）、収納容器１３の上部蓋と断熱材１４との間の領域、及び断熱材１５とフランジ１９との間の領域に分けられる。断熱材１４と断熱材１５に挟まれたゾーン１、ゾーン２、及びゾーン３は、それぞれ、加熱機構１６、加熱機構１７、及び加熱機構１８によって、加熱されている。
【0015】
各反応容器の側壁内部にはガス流路が配設されており、原料ガスＧ１は、第１原料ガス流路４を通じて第１反応容器１の内部空間の上部に供給される。原料ガスＧ１は、さらに、第２原料ガス流路８を通じて最下段の第３反応容器３の内部空間の上部に供給される。
原料ガスＧ１は、キャリアガスとともに供給されてもよい。
第１反応容器１に供給された原料ガスＧ１の少なくとも一部は第１反応容器１の内部空間の下部に収容された金属材料Ｍと反応して半導体材料ガスＧ２を生成する。半導体材料ガスＧ２は、未反応の原料ガスＧ１とともに、第１生成ガス流路９を通じて、第２反応容器２の内部空間の上部に供給される。
第２反応容器２に供給された原料ガスＧ１の少なくとも一部は第２反応容器２の内部空間の下部に収容された金属材料Ｍと反応して半導体材料ガスＧ２を生成する。半導体材料ガスＧ２は、未反応の原料ガスＧ１とともに、第２生成ガス流路１０を通じて、第３反応容器３の内部空間の上部に供給される。
第３反応容器３に半導体材料ガスＧ２とともに供給された生成ガスＧ２’は、第２原料ガス流路８を通じて第３反応容器３の内部空間の上部に供給される原料ガスＧ１と反応して、半導体材料ガスＧ２を生成する（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）。生成した半導体材料ガスＧ２は、材料ガス流路５を通じて、半導体材料ガス合成部２００の外に導出される。
原料ガスＧ１は、キャリアガスとともに供給されてもよい。
第１反応容器１に供給された原料ガスＧ１の少なくとも一部は第１反応容器１の内部空間の下部に収容された金属材料Ｍと反応して半導体材料ガスＧ２を生成する。半導体材料ガスＧ２は、未反応の原料ガスＧ１とともに、第１生成ガス流路９を通じて、第２反応容器２の内部空間の上部に供給される。
第２反応容器２に供給された原料ガスＧ１の少なくとも一部は第２反応容器２の内部空間の下部に収容された金属材料Ｍと反応して半導体材料ガスＧ２を生成する。半導体材料ガスＧ２は、未反応の原料ガスＧ１とともに、第２生成ガス流路１０を通じて、第３反応容器３の内部空間の上部に供給される。
第３反応容器３に半導体材料ガスＧ２とともに供給された生成ガスＧ２’は、第２原料ガス流路８を通じて第３反応容器３の内部空間の上部に供給される原料ガスＧ１と反応して、半導体材料ガスＧ２を生成する（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）。生成した半導体材料ガスＧ２は、材料ガス流路５を通じて、半導体材料ガス合成部２００の外に導出される。
【0016】
第１原料ガス流路４は、第１反応容器１と、第２反応容器２と、第３反応容器３とを、この順に上下に積層することによって、第１反応容器１の側壁内部の原料ガス流路と、第２反応容器２の側壁内部の原料ガス流路と、第３反応容器３の側壁内部の原料ガス流路とが接続されることで形成される。
【0017】
第１生成ガス流路９及び第２生成ガス流路１０は、それぞれ、第１反応容器１と第２反応容器２、第２反応容器２と第３反応容器３を上下に積層することによって、形成される。
【0018】
収納容器１３内において、半導体材料ガス合成部２００は、第１反応容器１の上方に配置された断熱材１４と、第３反応容器３の下方に配置された断熱材１５によって、放熱を低減し、金属材料Ｍと原料ガスＧ１との反応性が低下しないようにしている。
断熱材１４（１５）の材料としては、８００℃以上の高温に耐えることから、例えば、アルミナ繊維、発砲石英又は真空断熱ガラスを用いることができ、低コストであることから、アルミナ繊維を用いることが好ましい。
断熱材１４（１５）の材料としては、８００℃以上の高温に耐えることから、例えば、アルミナ繊維、発砲石英又は真空断熱ガラスを用いることができ、低コストであることから、アルミナ繊維を用いることが好ましい。
【0019】
第１反応容器１及び第２反応容器２のそれぞれの内部空間の下部には、金属材料Ｍが収容されている。
金属材料Ｍは固体及び液体のどちらでもよい。金属材料Ｍとしては、従来半導体材料ガスの製造に用いられている金属が好ましく、例えば、ガリウム、アルミニウム及びインジウムが挙げられる。金属材料Ｍとしては、ワイドギャップ半導体である窒化ガリウムの製造のため、ガリウムが好ましい。
金属材料Ｍは固体及び液体のどちらでもよい。金属材料Ｍとしては、従来半導体材料ガスの製造に用いられている金属が好ましく、例えば、ガリウム、アルミニウム及びインジウムが挙げられる。金属材料Ｍとしては、ワイドギャップ半導体である窒化ガリウムの製造のため、ガリウムが好ましい。
【0020】
原料ガスＧ１としては、従来半導体ガスの製造に用いられているガスが好ましく、例えば、ハロゲンガス及びハロゲン化水素ガスが挙げられる。原料ガスＧ１としては、製造が容易で入手しやすいことから、塩素ガス又は塩化水素ガスが好ましく、塩素ガスが好ましい。
【0021】
原料ガスＧ１はキャリアガスと混合して半導体材料ガス反応装置１００に供給してもよい。前記キャリアガスとしては、従来半導体材料ガスの製造に用いられているキャリアガスが好ましく、例えば、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスが挙げられる。前記キャリアガスとしては、大気から容易に製造することができ、安価であることから、窒素ガスが好ましい。
【0022】
図２に示す半導体材料ガス合成部２００において、金属材料Ｍと原料ガスＧ１は、２段階の反応により半導体材料ガスＧ２を生成する。中間生成物として、生成ガスＧ２’が生成する。
・第１段階：Ｍ＋Ｇ１→Ｇ２’
・第２段階：Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２
・第１段階：Ｍ＋Ｇ１→Ｇ２’
・第２段階：Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２
【0023】
まず、金属材料Ｍを収容した最上段の第１反応容器１に過剰に原料ガスＧ１を導入する。
１段階目の金属材料Ｍと原料ガスＧ１の反応により半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’が生成される。半導体材料ガスＧ２、生成ガスＧ２’及び未反応の原料ガスＧ１は金属材料Ｍが収容された下段の第２反応容器へ流れ込む。第２反応容器２には金属材料Ｍが収容されているため、上段から流れてきた未反応の原料ガスＧ１は金属材料Ｍと反応し、中間生成物である生成ガスＧ２’が生成される。最終的には最下段の第３反応容器３に大量の生成ガスＧ２’が流れ込む。そして最下段の第３反応容器に原料ガスＧ１を添加することで、２段階目の生成ガスＧ２’と原料ガスＧ１との反応が起こり、半導体材料ガスＧ２が生成される。本発明の半導体材料ガス反応装置では、金属材料Ｍが収容されている反応容器内で、１段階目の反応（Ｍ＋Ｇ１→Ｇ２’）及び部分的な２段階目の反応（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）が起こり、金属材料Ｍが収容されていない反応容器内で、第１反応容器１及び第２反応容器２で反応しきれなかった生成ガスＧ２’が原料ガスＧ１と２段階目の反応（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）を起こす２段階反応方式が採用されている。
本発明の半導体材料ガス反応装置は、反応容器を複数積層することによって、フットプリントを小さくすることができ、さらに金属材料Ｍの表面積を容易に稼ぐことができるため、半導体材料ガスＧ２の大量生成を見込むことができる。
生成した半導体材料ガスＧ２は、半導体成膜装置に移送され、ウェハーの成膜に使用される。
１段階目の金属材料Ｍと原料ガスＧ１の反応により半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’が生成される。半導体材料ガスＧ２、生成ガスＧ２’及び未反応の原料ガスＧ１は金属材料Ｍが収容された下段の第２反応容器へ流れ込む。第２反応容器２には金属材料Ｍが収容されているため、上段から流れてきた未反応の原料ガスＧ１は金属材料Ｍと反応し、中間生成物である生成ガスＧ２’が生成される。最終的には最下段の第３反応容器３に大量の生成ガスＧ２’が流れ込む。そして最下段の第３反応容器に原料ガスＧ１を添加することで、２段階目の生成ガスＧ２’と原料ガスＧ１との反応が起こり、半導体材料ガスＧ２が生成される。本発明の半導体材料ガス反応装置では、金属材料Ｍが収容されている反応容器内で、１段階目の反応（Ｍ＋Ｇ１→Ｇ２’）及び部分的な２段階目の反応（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）が起こり、金属材料Ｍが収容されていない反応容器内で、第１反応容器１及び第２反応容器２で反応しきれなかった生成ガスＧ２’が原料ガスＧ１と２段階目の反応（Ｇ２’＋Ｇ１→Ｇ２）を起こす２段階反応方式が採用されている。
本発明の半導体材料ガス反応装置は、反応容器を複数積層することによって、フットプリントを小さくすることができ、さらに金属材料Ｍの表面積を容易に稼ぐことができるため、半導体材料ガスＧ２の大量生成を見込むことができる。
生成した半導体材料ガスＧ２は、半導体成膜装置に移送され、ウェハーの成膜に使用される。
【0024】
金属材料Ｍと原料ガスＧ１との反応効率を高めるために、金属材料Ｍを収容する反応容器の内部空間には、突出部材を有することが好ましい。突出部材には、ガスの循環流を形成する機能がある。
金属材料Ｍと原料ガスＧ１とが反応して半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’が生成されると、半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’は原料ガスＧ１よりも比重が大きいため、反応容器の底部に近い金属材料Ｍの表面付近に滞留しやすい。半導体材料ガスＧ２が金属材料Ｍの表面付近に滞留すると、金属材料Ｍと原料ガスＧ１との反応が阻害され、反応効率が低下して未反応の原料ガスＧ１が増加する。
本実施形態の半導体材料ガス反応装置１００及び半導体材料ガス合成部２００では、各反応容器の形状を直径が略同一の円筒形として、内部空間に突出部材を設けることが好ましい。
図３は、第１反応容器１に突出部材２１を設けた例である。第１反応容器１の内部空間において、突出部材２１は、半径方向に向けて放射状に突出する。突出部材２１は、第１反応容器１と独立し、かつ分離されており、第１反応容器１の内部に設けられたガイドに沿って上下に動かすことができ、着脱自在である。
突出部材２１には、図３に示すように、円周方向に原料ガスＧ１及び金属材料Ｍを通過させることが可能な開口部２１ｂが垂直部２１ａに設けられている。突出部材２１の上部は垂直部２１ａと鈍角をなすように曲がり部２１ｃが設けられている。
開口部２１ｂの大きさは、原料ガスＧ１及び金属材料Ｍを通過させることが可能な大きさ及び位置であれば特に限定されないが、大きさは、垂直部２１ａの半径方向の長さの２～５０％、高さ方向の長さの５～９０％が好ましい。
曲がり部２１ｃは、垂直部２１ａと１１０～１６０°の角度をなすことが好ましい。
突出部材２１を構成する材料の比重は、金属材料Ｍよりも比重が小さいものが好ましい。金属材料Ｍが液体である場合、突出部材２１が金属材料Ｍに僅かに浮遊するため、反応容器の蓋部の内側に突出部材２１の上辺が接触して隙間を塞ぐ。これにより、原料ガスＧ１は効率よく開口部２１ｂを通り、金属材料Ｍと反応する。突出部材を構成する材料としては、耐熱性が高く、多くの場合金属材料Ｍよりも比重が小さいことから、石英又はグラファイトが好ましい。突出部材と反応容器とを同じ材料、例えば、グラファイトで構成してもよい。
金属材料Ｍと原料ガスＧ１とが反応して半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’が生成されると、半導体材料ガスＧ２及び生成ガスＧ２’は原料ガスＧ１よりも比重が大きいため、反応容器の底部に近い金属材料Ｍの表面付近に滞留しやすい。半導体材料ガスＧ２が金属材料Ｍの表面付近に滞留すると、金属材料Ｍと原料ガスＧ１との反応が阻害され、反応効率が低下して未反応の原料ガスＧ１が増加する。
本実施形態の半導体材料ガス反応装置１００及び半導体材料ガス合成部２００では、各反応容器の形状を直径が略同一の円筒形として、内部空間に突出部材を設けることが好ましい。
図３は、第１反応容器１に突出部材２１を設けた例である。第１反応容器１の内部空間において、突出部材２１は、半径方向に向けて放射状に突出する。突出部材２１は、第１反応容器１と独立し、かつ分離されており、第１反応容器１の内部に設けられたガイドに沿って上下に動かすことができ、着脱自在である。
突出部材２１には、図３に示すように、円周方向に原料ガスＧ１及び金属材料Ｍを通過させることが可能な開口部２１ｂが垂直部２１ａに設けられている。突出部材２１の上部は垂直部２１ａと鈍角をなすように曲がり部２１ｃが設けられている。
開口部２１ｂの大きさは、原料ガスＧ１及び金属材料Ｍを通過させることが可能な大きさ及び位置であれば特に限定されないが、大きさは、垂直部２１ａの半径方向の長さの２～５０％、高さ方向の長さの５～９０％が好ましい。
曲がり部２１ｃは、垂直部２１ａと１１０～１６０°の角度をなすことが好ましい。
突出部材２１を構成する材料の比重は、金属材料Ｍよりも比重が小さいものが好ましい。金属材料Ｍが液体である場合、突出部材２１が金属材料Ｍに僅かに浮遊するため、反応容器の蓋部の内側に突出部材２１の上辺が接触して隙間を塞ぐ。これにより、原料ガスＧ１は効率よく開口部２１ｂを通り、金属材料Ｍと反応する。突出部材を構成する材料としては、耐熱性が高く、多くの場合金属材料Ｍよりも比重が小さいことから、石英又はグラファイトが好ましい。突出部材と反応容器とを同じ材料、例えば、グラファイトで構成してもよい。
【0025】
本実施形態の半導体材料ガス反応装置１００は、半導体材料ガス合成部２００で合成された半導体材料ガスＧ２を希釈ガスＧ３により希釈して、半導体材料ガスＧ２を所定の濃度に希釈する希釈構造を備えている。
本実施形態の希釈構造の例示的態様を図４～図６に示す。本実施形態の半導体材料ガス反応装置１００は、希釈ガスＧ３を内部に導入する。本実施形態の希釈構造の一態様は、図４に示すように、半導体材料ガス排出管（石英管）である材料ガス流路５に希釈ガスＧ３導入用の石英管を合流させる希釈構造７である。この希釈ガス導入用石英管は、反応装置内部の高温部を通過させ、熱交換により希釈ガスＧ３をより高温化させる構造でもよい。半導体材料ガス排出管（石英管）である材料ガス流路５と希釈ガス導入用石英管である希釈ガス流路６は、図７に示すようにガス滞留が防げるようなＲ加工を施し、希釈ガスＧ３を本流、そこに支流となる半導体材料ガスＧ２が合流する構造が好ましい。また、別の態様として、図５のように反応容器と同形状の希釈容器を希釈構造７’をとして設けて、その中で希釈させる方法でもよい。さらに別の態様として、上述した２態様を組み合わせた構造でもよい。なお、希釈ガスとしては、半導体材料ガスＧ２との反応性が乏しいものが好ましく、例えば、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスが挙げられる。前記希釈ガスとしては、大気から容易に製造することができ、安価であることから、窒素ガスが好ましく、高温（２００～３００℃）の窒素ガスがより好ましい。これにより材料ガス流路５がフランジ１９を通過する部分において、半導体材料ガスＧ２は希釈された高温状態のガスであり、凝結しないため、ガス流路を閉塞することがない。
本実施形態の希釈構造の例示的態様を図４～図６に示す。本実施形態の半導体材料ガス反応装置１００は、希釈ガスＧ３を内部に導入する。本実施形態の希釈構造の一態様は、図４に示すように、半導体材料ガス排出管（石英管）である材料ガス流路５に希釈ガスＧ３導入用の石英管を合流させる希釈構造７である。この希釈ガス導入用石英管は、反応装置内部の高温部を通過させ、熱交換により希釈ガスＧ３をより高温化させる構造でもよい。半導体材料ガス排出管（石英管）である材料ガス流路５と希釈ガス導入用石英管である希釈ガス流路６は、図７に示すようにガス滞留が防げるようなＲ加工を施し、希釈ガスＧ３を本流、そこに支流となる半導体材料ガスＧ２が合流する構造が好ましい。また、別の態様として、図５のように反応容器と同形状の希釈容器を希釈構造７’をとして設けて、その中で希釈させる方法でもよい。さらに別の態様として、上述した２態様を組み合わせた構造でもよい。なお、希釈ガスとしては、半導体材料ガスＧ２との反応性が乏しいものが好ましく、例えば、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスが挙げられる。前記希釈ガスとしては、大気から容易に製造することができ、安価であることから、窒素ガスが好ましく、高温（２００～３００℃）の窒素ガスがより好ましい。これにより材料ガス流路５がフランジ１９を通過する部分において、半導体材料ガスＧ２は希釈された高温状態のガスであり、凝結しないため、ガス流路を閉塞することがない。
【0026】
図８に示す本実施形態の半導体材料ガス反応装置の半導体材料ガス排出構造２０は、冷却されたフランジ１９における半導体材料ガスＧ２の温度低下を抑制することが可能となる。この半導体材料ガス排出構造２０は断熱材による断熱機構、又は真空部を有する真空断熱機構であってもよい。また、半導体材料ガス排出構造２０にカートリッジヒーター等のヒーターを導入することにより、加温してもよい。これらの断熱機構または加熱機構を有することで、半導体材料ガスＧ２が凝縮しないように２００℃以上の温度を保持することができる。
前記希釈構造を備えていない場合は、高濃度の半導体材料ガスＧ２を生成・供給する際にフランジ１９通過部にて半導体材料ガスＧ２の凝縮が起こる可能性が高い。その場合はフランジ１９通過部を３００℃以上の高温に維持する必要があり、半導体材料ガス排出構造２０の加熱機構が複雑かつコストアップに繋がるので好ましくない。前記希釈構造を備えることで、半導体材料ガス排出構造の断熱・加熱機能は簡易な仕様で済ませることができ、コストダウンにも繋がる。
前記希釈構造を備えていない場合は、高濃度の半導体材料ガスＧ２を生成・供給する際にフランジ１９通過部にて半導体材料ガスＧ２の凝縮が起こる可能性が高い。その場合はフランジ１９通過部を３００℃以上の高温に維持する必要があり、半導体材料ガス排出構造２０の加熱機構が複雑かつコストアップに繋がるので好ましくない。前記希釈構造を備えることで、半導体材料ガス排出構造の断熱・加熱機能は簡易な仕様で済ませることができ、コストダウンにも繋がる。
【0027】
［作用効果］
本発明を用いて、生成された半導体材料ガスの濃度を希釈し、かつ温度低下を防ぐことで、半導体材料ガスが輸送配管内で凝縮・液化することを防止することが可能となる。結果として、所望の半導体材料ガスを安定的に成膜反応炉へ供給することが可能となる。
本発明を用いて、生成された半導体材料ガスの濃度を希釈し、かつ温度低下を防ぐことで、半導体材料ガスが輸送配管内で凝縮・液化することを防止することが可能となる。結果として、所望の半導体材料ガスを安定的に成膜反応炉へ供給することが可能となる。
【符号の説明】
【0028】
１…第１反応容器
１ａ…蓋部
１ｂ…底部
１ｃ…側壁
１ｚ…内部空間
２…第２反応容器
３…第３反応容器
４…第１原料ガス流路
５…材料ガス流路
６，６ａ，６ｂ…希釈ガス流路
７，７’…希釈構造
８…第２原料ガス流路
９…第１生成ガス流路
１０…第２生成ガス流路
１３…収納容器
１４，１５…断熱材
１６，１７，１８…加熱機構
１９…フランジ
２０…半導体材料ガス排出構造
２１…突出部材
２１ａ…垂直部
２１ｂ…開口部
２１ｃ…曲がり部
１００…半導体材料ガス反応装置
２００…半導体材料ガス合成部
Ｇ１…原料ガス
Ｇ２…半導体材料ガス
Ｇ２’…生成ガス
Ｇ３…希釈ガス
Ｍ…金属材料
１ａ…蓋部
１ｂ…底部
１ｃ…側壁
１ｚ…内部空間
２…第２反応容器
３…第３反応容器
４…第１原料ガス流路
５…材料ガス流路
６，６ａ，６ｂ…希釈ガス流路
７，７’…希釈構造
８…第２原料ガス流路
９…第１生成ガス流路
１０…第２生成ガス流路
１３…収納容器
１４，１５…断熱材
１６，１７，１８…加熱機構
１９…フランジ
２０…半導体材料ガス排出構造
２１…突出部材
２１ａ…垂直部
２１ｂ…開口部
２１ｃ…曲がり部
１００…半導体材料ガス反応装置
２００…半導体材料ガス合成部
Ｇ１…原料ガス
Ｇ２…半導体材料ガス
Ｇ２’…生成ガス
Ｇ３…希釈ガス
Ｍ…金属材料
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】