JP2004055636A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ上に形成すべき半導体薄膜の成長条件に応じて自公転を自由に制御できる自公転型気相成長装置を提供すること。
【解決手段】サセプタ３１をトルク伝達歯車３２及び第１駆動モータＭ１を用いて公転運動させると共に、サセプタ３１上に回転自在に取り付けられた衛生歯車３６を太陽歯車３９及び第２駆動モータＭ２を用いて自転運動させるようにした。これにより、公転運動の回転制御と自転運動の回転制御とを独立して行うことができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを反応器内で自公転させながらそのウエハ表面に半導体結晶薄膜を気相成長させるようにした自公転型の気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハが設置された反応器内に原料ガスを導入し、所定の加熱装置によって該半導体ウエハを加熱することによってその表面上に所要の半導体結晶薄膜を気相成長により成膜するようにした気相成長装置において、所要の半導体結晶薄膜を均一に成膜できるようにするため、従来から自公転型の気相成長装置が用いられている。
【０００３】
このような目的で用いられる従来の自公転型の気相成長装置は、例えば特開平１０−２１９４４７号公報に開示されているように、反応容器内に内歯車を固定しておくと共に、内歯車内で回転するサセプタ上に小歯車を回転自在に枢着しておき、サセプタが回転したときに小歯車がサセプタ上で回転するよう上記内歯車から回転力が与えられるよう小歯車と内歯車とを噛み合わせておくことにより、小歯車を自転させながらサセプタの回転軸に対して公転させる構成となっている。したがって、この小歯車の上面又は下面に適宜の手段を用いて半導体ウエハを取り付けておけば、半導体ウエハが自転しながら反応器の内側に沿うようにして公転するので、原料ガスの流れの不均一性や加熱温度分布の不均一性が生じても、ウエハ上に所要の半導体結晶薄膜を均一に成膜することができるようになる。
【０００４】
なお、この種の従来装置として、サセプタ側を固定とし内歯車を回転させることによりウエハを自転させながら公転させるようにした構成も公知であるが、この場合も上述したのと同様の理由により、ウエハ上に所要の半導体結晶薄膜を均一に成膜することができるようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成によると、いずれにしても、ウエハを設定した小歯車と内歯車とは、それらの歯数によって決まる所定の一定回転比でそれぞれが回転するので、以下のような問題を生じる。
【０００６】
一般に、半導体ウエハ上に各種の半導体結晶を気相成長により所定の厚さに成膜しようとする場合、その成長速度を自由に制御することは困難である。その理由は、成膜しようとする半導体結晶薄膜の品質を所定レベルに維持するためには成長速度をある程度高くする必要があるからである。例えば、化合物半導体の薄膜結晶を作る場合であれば、その成長速度の下限は数Å／秒程度が一般的であり、これ以下の成長速度となるように成長条件を設定すると、得られた半導体結晶薄膜の結晶品質が充分でなく、このようなエピタキシャル基板を用いて半導体素子を作製した場合、その電気的特性に問題が生じることとなる。
【０００７】
一方、半導体技術の進歩により、現在では、層厚の極めて薄い半導体結晶薄膜層をウエハ上に形成することが要求される場合が多々生じる。このような極薄の半導体結晶薄膜層をウエハ上に形成する際に、その成膜速度を上述した適切な成長速度範囲内に選ぶと、成膜が比較的短時間（例えば１０秒）内に終了してしまうこととなる。
【０００８】
このような短時間のうちにウエハを反応器内で少なくとも１回は公転させようとすると、ウエハの自転運動が極めて高速で行われることになる。この結果、ウエハの高速での自転によって原料ガスの流れが乱され、あるいは反応器内に存在している微粒子体がウエハの高速回転により生じた気体の流れにより舞い上がり、これがウエハ表面に付着するなどしてかえって品質低下の原因となってしまうという問題が生じる。
【０００９】
このような不具合を解決するには、歯数を増やした小歯車を取り付け直す等の措置を構ずることにより公転速度と自転速度との比を所要の値にすることが必要であるが、歯車の歯数はモジュールやピッチ円直径によって限定されるため、装置の大掛かりな改造が必要となる。また、この対策では薄膜成長中に自転速度のみを変更する、或いは公転速度のみを変更することはできず、成膜性を均一にする上で問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる、自公転型の気相成長装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、反応器内に保持体を介して設置された半導体ウエハを自公転させることができるように構成された気相成長装置において、前記保持体を回転させるための第１の回転駆動系統と、前記半導体ウエハを前記保持体上で回転させるための第２の回転駆動系統とを備え、前記第１の回転駆動系統と前記第２の回転駆動系統とが別の駆動源を用いて独立して回転制御されるように構成されたことを特徴とする気相成長装置が提案される。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記第１の回転駆動系統が、前記保持体を回転させるための駆動トルクを前記保持体に与えるように構成されている気相成長装置が提案される。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記第２の回転駆動系統が、前記ウエハを取り付けて前記保持体上で回転する衛星歯車と、該衛星歯車を回転させるため前記ウエハの公転中心に設けられた太陽歯車とを含んで構成される気相成長装置が提案される。
【００１４】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明において、前記衛星歯車がベアリングを介して前記保持体に対して回転可能に設けられている気相成長装置が提案される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明による気相成長装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の基板回転・保持装置の拡大平面図である。図１及び図２を参照して気相成長装置１について説明する。気相成長装置１は、原料ガスの導入口２Ａと排出口２Ｂとを備えた全体として中空円柱状の形態をなす反応器２を備え、半導体ウエハを保持して自公転させることができるように構成されたフェイスアップ方式の気相成長装置である。
【００１７】
反応器２内には、半導体ウエハを自公転させるため２つの駆動力で回転制御されるように構成された基板回転・保持装置３が設けられると共に、反応器２内には、円環状の支持板４が固定的に設けられており、基板回転・保持装置３は軸受５を介して支持板４によって所定の位置で保持されている。軸受５はサセプタ３１の回転振れを減少させるために用いられている。６はプロセスガスのフローを調整するためのカバー、７はウエハ加熱用のヒータである。
【００１８】
基板回転・保持装置３は、中空円柱体の形態をなすサセプタ３１と、サセプタ３１に回転力を与えるための歯車部材であるトルク伝達歯車３２とを備えている。サセプタ３１は、その軸線を中心に回転可能なように軸受５によって支持板４に支持されており、サセプタ３１の外周面に形成された歯部３１Ａが、トルク伝達歯車３２の歯部３２Ａと噛み合っている。そして、トルク伝達歯車３２に取り付けられた第１駆動軸３５が電動式の第１駆動モータＭ１により回転駆動されることにより、サセプタ３１がサセプタ３１の軸線を中心に回転する構成となっている。
【００１９】
すなわち、保持体であるサセプタ３１を回転させるための第１の回転駆動系統が第１駆動モータＭ１により駆動制御される構成となっている。なお、サセプタ３１に与える駆動力は、電動式のモータを用いる以外にも、サセプタ３１の下部に溝を作り気体を吹き付けて回転させる方式をとることができる。また、ロボットによるウエハの自動搬送に関しては、位置決め精度を向上させるために、エンコーダー付きのステッピングモータやサーボモータを使用することができる。
【００２０】
上述の如くして回転駆動されるサセプタ３１の上面３１Ｂ上でウエハを回転させることができるようにするため、上面３１Ｂ上には、衛星歯車３６が回転可能なように設けられている。図示の実施の形態においては、上面３１Ｂ上でウエハを４枚同時に回転させることができるようにするため、９０°間隔で４つ設けられている。しかし、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、上面３１Ｂ上で回転させるウエハの数は２枚以上任意の枚数のウエハを同時に回転させるように構成されたものであってもよい。
【００２１】
衛星歯車３６は、外周面に歯部３６Ａが設けられていると共に、その上面にウエハＳを収容しておくための凹部３６Ｂが形成され、且つその下面には回転軸部３６Ｃが一体に形成されている。一方、サセプタ３１の上面３１Ｂには、衛星歯車３６を受け入れるための凹部として形成されている歯車収容部３１Ｃが９０°間隔で４つ形成されており、これらの歯車収容部３１Ｃ内に衛星歯車３６を収容することで、衛星歯車３６が、サセプタ３１上に回転自在に設けられる構成となっている。ここで、各衛星歯車３６の回転中心はサセプタ３１の回転中心とは異なっている。
【００２２】
図３には、衛星歯車３６のサセプタ３１への取り付けの様子が拡大して示されている。本実施の形態では、歯車収容部３１Ｃの底部に設けられたベアリング収容部３１Ｃａ内にベアリング３７が収容されて取り付けられており、衛星歯車３６は、その回転軸部３６Ｃがベアリング３７によって回転自在に支持されるようにして歯車収容部３１Ｃ内に配設されている。
【００２３】
このようにして、衛星歯車３６とサセプタ３１の嵌めあい部には、ベアリング３７が装着され、衛星歯車３６は歯車収容部３１Ｃ内で回転自在なようにしてサセプタ３１に取り付けられているので、サセプタ３１を固定したままでも、太陽歯車３９を回転させることによって、各衛星歯車３６のスムーズな自転が得られる構造となっている。ベアリング３７は摺動を伴うことと耐熱性が必要であることから、ベアリング３７を用いる場合は、その材質として黒鉛や窒化ホウ素を用いることが好ましい。また、炭化ケイ素や窒化ケイ素からなるセラミックス製のボールベアリングをベアリング３７として用いることができる。
【００２４】
図１及び図２に戻ると、サセプタ３１がその軸線を中心に回転している状態で４つの衛星歯車３６を各回転軸部３６Ｃを中心にサセプタ３１上で回転させるため、サセプタ３１の中心部には太陽歯車３９が設けられている。太陽歯車３９には第２駆動モータＭ２により回転駆動される第２駆動軸４０が取り付けられている。太陽歯車３９は、サセプタ３１と同軸に配置されており、太陽歯車３９の歯部３９Ａは、４つの衛星歯車３６の各歯部３６Ａと噛み合っている。したがって、第２駆動モータＭ２により太陽歯車３９を回転させることにより、これに同期して４つの衛星歯車３６を各回転軸部３６Ｃを中心に同時に回転させることができる。すなわち、ウエハＳを保持体であるサセプタ３１上で回転させるための第２の回転駆動系統が第２駆動モータＭ２により駆動制御される構成となっている。
【００２５】
なお、図２では、各歯部３１Ａ、３２Ａ、３６Ａ、３９Ａについて、図面の簡単化のためそれぞれの一部を歯の形状に示し他の部分を二重線で示したが、それぞれ全周にわたって歯が形成されている。
【００２６】
ここで、衛星歯車３６と太陽歯車３９の歯車の種類は、平歯車、はすば歯車、やまば歯車、ねじ歯車等を用いることができる。また、サセプタ３１とトルク伝達歯車３２については、前記の歯車以外にも、フェースギヤ、かさ歯車、ウォームギヤ、ハイポイドギヤを用いることができる。また、太陽歯車３９、衛星歯車３６、サセプタ３１の材質は黒鉛、窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、ステンレス、モリブデン、タングステン、チタン等とすることができるが、摺動を伴うため、黒鉛、窒化ホウ素等の自己摺動性が高い材料を用いることが好ましい。また、使用するガスの種類によっては耐食性を持たせるために、黒鉛や窒化ホウ素の表面を炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミでコーティングすることにより、使用寿命を伸ばすことができる。しかしながら、本発明は歯車の種類や歯車の材質によって限定されるものではない。
【００２７】
基板回転・保持装置３は上述の如く構成されているので、サセプタ３１上の４つの衛星歯車３６の各凹部３６Ｂ内にそれぞれウエハＳを収容して設けた状態とし、トルク伝達歯車３２の第１駆動軸３５を第１駆動モータＭ１により回転させると、トルク伝達歯車３２が第１駆動軸３５と同軸に回転し、このときサセプタ３１の歯部３１Ａはトルク伝達歯車３２の歯部３２Ａに噛み合って設けられているためサセプタ３１は回転し、このため衛星歯車３６上のウエハＳは太陽歯車３９の第２駆動軸４０を中心とした公転運動をすることができる。
【００２８】
一方、太陽歯車３９の第２駆動軸４０を第２駆動モータＭ２により回転させると、太陽歯車３９が回転する。サセプタ３１上に設けられている衛星歯車３６の歯部３６Ａは太陽歯車３９の歯部３９Ａに噛み合って設けられているため、衛星歯車３６はサセプタ３１上で回転し、このため衛星歯車３６上のウエハＳは衛星歯車３６の回転軸部３６Ｃを中心とした自転運動をする。
【００２９】
このように、サセプタ３１上に設けられた各ウエハＳは、反応器２内において第１駆動モータＭ１と第２駆動モータＭ２とにより公転運動と自転運動とを独立して行うことができるので、例えば成膜しようとする半導体結晶薄膜の品質を所定レベルに維持するために成長速度をある程度高く設定することによりウエハを比較的高速で公転させる必要が生じた場合であっても、ウエハの自転速度をこの公転速度に拘らず適切な自転速度に独立して設定することができる。
【００３０】
この結果、ウエハの公転速度を比較的高く設定した場合にこれに関連してウエハが高速で自転してしまうという不具合が容易に解決されるので、ウエハが高速で自転することによって反応器内の原料ガスの流れが乱されることなく、且つ反応器内に存在している微粒子体がウエハの高速回転により生じた気体の流れにより舞い上がり、これがウエハ表面に付着する等の不具合を防止することができ、高品質の半導体結晶薄膜を得ることができる。
【００３１】
図４は本発明による気相成長装置の他の実施の形態を示す断面図であり、図４に示されているのは半導体ウエハの成長面が下向きにセットされるようになっているフェイスダウン方式の気相成長装置１０１である。気相成長装置１０１は、ウエハＳ１００の成長面を下向きにしてサセプタに取り付けるようにした点を除いて気相成長装置１と基本的に同様の構成となっている。
【００３２】
気相成長装置１０１は、原料ガスの導入口１０２Ａと排出口１０２Ｂとを備えた全体として中空円柱状の形態をなす反応器１０２を備え、反応器１０２は、半導体ウエハを保持して自公転させることができるように構成されている。本実施の形態では、半導体ウエハを自転及び公転させるため２つの独立した駆動力を有するように構成された基板回転・保持装置１０３が反応器１０２内に設けられている。反応器１０２内には、円環状の支持板１０４が適宜の手段により固定されており、基板回転・保持装置１０３は軸受１０５を介して支持板１０４によって回転自在に支持されている。１０７はウエハ加熱用のヒータである。
【００３３】
基板回転・保持装置１０３は、中空円柱体の形態をなすサセプタ１３１と、サセプタ１３１に回転力を与えるための歯車部材であるトルク伝達歯車１３２とを備えている。サセプタ１３１の外周面に形成された歯部１３１Ａは、トルク伝達歯車１３２の歯部１３２Ａと噛み合っており、トルク伝達歯車１３２に取り付けられた第１駆動軸１３５が第１駆動モータＭ１０１により回転駆動されることにより、サセプタ１３１がその軸線を中心に回転する構成となっている。
【００３４】
一方、サセプタ１３１には、上部外周面に歯部２０１Ａが設けられている中空円筒状の衛星歯車２０１が９０°間隔に４つ設けられている。衛星歯車２０１は、それぞれ、下端部に円環状の爪部２０１Ｂが形成されて公知の適宜の方法でウエハＳ１００を保持することができるよう形成されている。サセプタ１３１内には、上述の如く構成されている衛星歯車２０１を受け入れるための歯車収容部２０２が９０°間隔で４つ形成されている。これらの歯車収容部２０２内に衛星歯車２０１を収容することで、衛星歯車２０１が、サセプタ１３１内に回転自在に設けられる構成となっている。
【００３５】
４つの衛星歯車２０１の各軸を回転中心として回転させるため、サセプタ１３１の中心部には太陽歯車１３９が設けられている。太陽歯車１３９には第２駆動モータＭ１０２により回転駆動される第２駆動軸１４０が取り付けられている。太陽歯車１３９は、サセプタ１３１と同軸に配置されており、太陽歯車１３９の歯部１３９Ａは、４つの衛星歯車２０１の各歯部２０１Ａと噛み合っている。したがって、第２駆動モータＭ１０２により太陽歯車１３９を回転させることにより、これに同期して４つの衛星歯車２０１をサセプタ１３１上で同時に回転させることができる。
【００３６】
基板回転・保持装置１０３は上述の如く構成されているので、サセプタ１３１内の各衛星歯車２０１にそれぞれウエハＳ１００を取り付けた状態とし、トルク伝達歯車１３２の第１駆動軸１３５を第１駆動モータＭ１０１により回転させると、トルク伝達歯車１３２が回転し、サセプタ１３１を回転させることができる。この結果、衛星歯車２０１に取り付けられたウエハＳ１００は第１駆動モータＭ１０１の駆動力により太陽歯車１３９の第２駆動軸１４０を中心とした公転運動をすることができる。
【００３７】
一方、太陽歯車１３９を第２駆動モータＭ１０２により回転させると、太陽歯車１３９の回転に同期して各衛星歯車２０１が回転し、各衛星歯車２０１に取り付けられたウエハＳ１００を衛星歯車２０１中心を中心軸として自転運動させることができる。
【００３８】
このように、サセプタ１３１に取り付けられた各ウエハＳ１００は、反応器１０２内において公転運動と自転運動とを独立して制御することができるので、フェイスダウン方式の気相成長装置１０１によっても、図１に示したフェイスアップ方式の気相成長装置１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、反応器内に保持体を介して設置された半導体ウエハを自公転させることができるように構成された気相成長装置において、保持体を回転させるための第１の回転駆動系統と、半導体ウエハを保持体上で回転させるための第２の回転駆動系統とを備え、第１の回転駆動系統と第２の回転駆動系統とが別の駆動源を用いて独立して回転制御されるようにし、これにより保持体上に保持されている半導体ウエハが公転運動と自転運動とを独立して行うことができるようにしたので、成膜しようとする半導体結晶薄膜の品質を所定レベルに維持するために成長速度をある程度高くし、ウエハを短時間のうちに反応器内で公転させようとする場合であっても、ウエハの自転速度をこの公転速度に拘らず適切な速度に独立して設定することができる。
【００４０】
この結果、ウエハの公転速度を比較的高く設定した場合にこれに関連してウエハが高速で自転してしまうという不具合が容易に解決されるので、ウエハが高速で自転することによって反応器内の原料ガスの流れが乱されることなく、且つ反応器内に存在している微粒子体がウエハの高速回転により生じた気体の流れにより舞い上がり、これがウエハ表面に付着する等の不具合を防止することができ、高品質の半導体結晶薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気相成長装置の実施の形態の一例を示す断面図。
【図２】図１の基板保持・回転装置の拡大平面図。
【図３】図１の基板回転・保持装置本体の一部拡大断面図。
【図４】本発明による気相成長装置の他の実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
１、１０１　気相成長装置
２、１０２　反応器
２Ａ、１０２Ａ　導入口
２Ｂ、１０２Ｂ　排出口
３、１０３　基板回転・保持装置
３１、１３１　サセプタ
３２、１３２　トルク伝達歯車
３６、２０１　衛星歯車
３９、１３９　太陽歯車
Ｍ１、Ｍ１０１　第１駆動モータ
Ｍ２、Ｍ１０２　第２駆動モータ
Ｓ、Ｓ１００　半導体ウエハ

Claims (4)

1. 反応器内に保持体を介して設置された半導体ウエハを自公転させることができるように構成された気相成長装置において、
   前記保持体を回転させるための第１の回転駆動系統と、
   前記半導体ウエハを前記保持体上で回転させるための第２の回転駆動系統とを備え、
   前記第１の回転駆動系統と前記第２の回転駆動系統とが別の駆動源を用いて独立して回転制御されるように構成されたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記第１の回転駆動系統が、前記保持体を回転させるための駆動トルクを前記保持体に与えるように構成されている請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記第２の回転駆動系統が、前記ウエハを取り付けて前記保持体上で回転する衛星歯車と、該衛星歯車を回転させるため前記ウエハの公転中心に設けられた太陽歯車とを含んで構成される請求項１又は２記載の気相成長装置。
4. 前記衛星歯車がベアリングを介して前記保持体に対して回転可能に設けられている請求項３記載の気相成長装置。

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