JP2004186211A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタ支持軸の熱変形に起因するサセプタの位置のずれや回転ぶれを防止し、基板表面への均一な成膜が図れる気相成長装置を提供する。
【解決手段】サセプタ１５の外周をベアリング２２で回転可能に支持するとともに、サセプタの中心から突出した回転軸１６と、該回転軸を介してサセプタを回転させるための駆動軸２４とを非接触状態で配置し、前記回転軸と前記駆動軸との間に、駆動軸の回転運動を駆動軸から回転軸に伝達可能な回転力伝達手段２５を設ける。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、気相成長ガス（原料ガス）を基板面と平行に流して基板の表面（気相成長面）に半導体薄膜を形成する横型の気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードやレーザダイオードの発光デバイスに用いられる化合物半導体等の薄膜を製造するための気相成長装置として、軸線を水平方向にして設置した反応炉（フローライナー）内に基板を水平方向に設置し、この基板を加熱した状態で基板表面に平行な方向に原料ガスを供給することにより、基板表面に半導体薄膜を形成する横型の気相成長装置が知られている。
【０００３】
このような気相成長装置におけるフローライナー内での基板保持構造として、基板を載置するサセプタと該サセプタを介して前記基板を加熱するヒーターとをリフレクター内に収納し、前記サセプタをリフレクターの底板及びヒーターにそれぞれ設けられている通孔を貫通するサセプタ支持軸の上端部に嵌着したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１４１８２号公報（第２頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、成膜操作時に基板を高温、例えば１０００℃以上に加熱すると、サセプタやサセプタ支持軸も同時に高温となるため、サセプタ支持軸が熱変形を起こすおそれがあった。サセプタ支持軸が熱変形を起こすと、サセプタの位置がずれたり、サセプタの回転軸がぶれたりするなどして基板表面への均一な成膜が阻害されてしまう。
【０００６】
そこで本発明は、サセプタ支持軸の熱変形に起因するサセプタの位置のずれや回転ぶれを防止し、基板表面への均一な成膜が図れる気相成長装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、サセプタにより保持された基板の表面に平行な方向に原料ガスを供給し、基板表面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置において、前記サセプタの外周をベアリングで回転可能に支持するとともに、サセプタの中心から突出した回転軸と、該回転軸を介してサセプタを回転させるための駆動軸とを非接触状態で配置し、前記回転軸と前記駆動軸との間に、駆動軸の回転運動を駆動軸から回転軸に伝達可能な回転力伝達手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
また、前記回転力伝達手段は、前記回転軸に設けた係止部と、前記駆動軸に設けた駆動部とを、回転軸及び駆動軸の軸線方向に移動可能な状態で、かつ、駆動軸の回転運動を駆動軸から回転軸に伝達可能な状態で係止させたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は要部の断面正面図、図２は回転力伝達手段の一例を示す断面底面図である。
【００１０】
まず、本形態例に示す気相成長装置は、いわゆるフェイスアップ方式と呼ばれるものであって、軸線を水平方向に向けて設置した筒状のフローライナー１１の一端にガス導入口１２を、他端にガス導出口１３をそれぞれ設けるとともに、基板１４を水平に保持するための円盤又は円柱状のサセプタ１５を鉛直方向の回転軸１６によって回転駆動するように形成している。
【００１１】
この気相成長装置における成膜操作は、所定温度に加熱した基板１４を所定回転数で回転させながら、ガス導入口１２からガス導出口１３に向かって基板表面に平行な方向に原料ガスを供給し、基板近傍で原料ガスを熱分解あるいは反応させることにより、基板表面に半導体薄膜を成長（エピタキシャル成長）させることにより行われる。
【００１２】
前記サセプタ１５は、フローライナー１１の底部開口１１ａに連通する上部開口１７を備えたサセプタ支持ケース１８内に収納されており、サセプタ支持ケース１８の外側は、ヒーター１９を収納した断熱箱（リフレクター）２０により覆われている。
【００１３】
前記サセプタ１５の底面とサセプタ支持ケース１８の底板２１との間には、サセプタ１５を回転可能に支持するためのベアリング２２が設けられている。このベアリング２２は、サセプタ１５と同軸のリング状に設けられるものであって、このベアリング２２でサセプタ１５の全重量を支持するようにしている。ベアリング２２には、サセプタ１５の重量や直径等に応じてボールベアリングやローラーベアリング等の適当な型式のベアリングを使用することができ、ベアリングを２個以上設けることもできる。また、サセプタ軸線方向の支持だけでなく、径方向の支持を兼ねるようにしてもよい。
【００１４】
サセプタ支持ケース１８の底板２１、ヒーター１９及び断熱箱２０の底板２３には、前記回転軸１６が貫通する通孔２１ａ，１９ａ，２３ａがそれぞれ設けられ、回転軸１６は、これらの通孔を通して断熱箱２０の底面よりも下方に突出した状態となっている。回転軸１６の下方には、回転軸１６を回転駆動するための駆動軸２４が、回転軸１６に対して軸線方向に離間した非接触状態で設けられており、回転軸１６と駆動軸２４との間に、駆動軸２４の回転運動を駆動軸２４から回転軸１６に伝達可能な回転力伝達手段２５が設けられている。
【００１５】
前記回転力伝達手段２５は、両者の相対的な軸線方向の移動を許容した状態で、両者の接触面積を極力小さくすることにより、熱伝導を抑制しながら回転力を伝達できる構造としたものであって、本形態例に示す回転力伝達手段は、回転軸１６の下端外周に４個の係止部２６を等間隔で軸方向に突設して隣接する係止部２６同士の間に係止溝２７を形成するとともに、駆動軸２４先端部外周には、前記係止溝２７内に挿入可能な丸棒形状とした４本の駆動部２８を径方向に等間隔で突設した構造を有している。
【００１６】
駆動部２８は、係止溝２７内に回転軸１６の軸線方向に移動可能な状態で挿入され、モーター等の駆動源から駆動軸２４に与えられた回転力は、駆動部２８から係止部２６に伝達されて回転軸１６が回転することになる。この回転力の伝達時に、係止部２６と駆動部２８との少なくとも一方を丸棒状に形成しておくことにより、両者の接触状態を線接触として両者間の熱伝導を抑制することができるので、ヒーター１９で高温に加熱されたサセプタ１５からの輻射や熱伝導によって回転軸１６が高温となっても、駆動軸２４には熱がほとんど伝わらないので、駆動軸２４の熱変形や熱損失を抑えることができる。
【００１７】
さらに、高温となった回転軸１６が熱膨張しても、係止部２６と駆動部２８とが回転軸１６の軸線方向に移動可能となっているので、駆動軸２４には全く影響がなく、回転軸１６の熱膨張によって回転軸１６や駆動軸２４が変形することがなくなる。これにより、サセプタ１５の位置がずれたり、サセプタ１５の回転軸１６がぶれたりすることがなくなり、サセプタ１５を安定した状態で回転させることができ、基板表面への成膜を均一に行うことができる。また、サセプタ１５の重量が駆動軸２４に加わらないので、駆動軸２４やその軸支部の簡略化も図れるので、装置コストの低減も図れる。
【００１８】
なお、回転力伝達手段２５は、本例で示したような機械的な回転力伝達構造に限らず、回転軸１６の径や必要なトルクに応じて電気的、磁気的な回転力伝達構造も採用することもできる。
【００１９】
図３は、本発明の気相成長装置の第２形態例を示す要部の断面正面図である。本形態例は、成膜を行う基板表面をフローライナー内で下向きに保持した、いわゆるフェイスダウン方式の気相成長装置に本発明を適用した例を示している。なお、前記第１形態例に示した気相成長装置と基本的に同一な構成要素には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２０】
本形態例では、サセプタ１５の上部外周にフランジ５１を設け、このフランジ５１の下面とサセプタ支持ケース１８の底板上面との間に、前記同様のベアリング２２を設けたものであって、サセプタ１５の上面中央から上方に突出した回転軸１６と、その上方に位置する駆動軸２４とは、前記同様に非接触状態で配置されており、回転軸１６と駆動軸２４との間には、前記同様に構成した回転力伝達手段２５が設けられている。
【００２１】
このように、フェイスダウン方式の気相成長装置においても、サセプタ１５の重量を前記ベアリング２２によって支持するとともに、回転軸１６と駆動軸２４とを回転力伝達手段２５を介して接続することにより、熱損失の低減が図れるとともに、サセプタ１５を安定した状態で回転させることができる。
【００２２】
前記各形態例において、回転軸１６と駆動軸２４との間には、熱伝導や熱膨張を考慮して０．１ｍｍ以上の空間を設けておくことが好ましい。また、前記ベアリング２２の材質は、耐熱性等を考慮するとステンレス鋼又は窒化ケイ素であることが好ましい。さらに、サセプタ１５の直径は５０ｍｍ〜１０００ｍｍに対応することができ、回転軸の直径は、サセプタ１５の直径に応じて１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に設定することができる。また、サセプタ１５及び回転軸１６は、サファイア、石英ガラス、ステンレス鋼、ＳｉＣ、カーボンで形成することができる。なお、サセプタやフローライナーの形状等は、基板の直径や同時成膜枚数、原料ガスの種類等の条件に応じて任意に選択することが可能である。
【００２３】
【実施例】
実施例１
図１に示すフェイスアップ方式の気相成長装置において、直径１７０ｍｍのＳｉＣ製サセプタの底面を直径１４０ｍｍのボールベアリングで支持するとともに、底面中央に直径１５ｍｍ、長さ３００ｍｍの石英ガラス製回転軸を取り付けた。回転軸の下方には５ｍｍの空間を空けて直径１０ｍｍのステンレス鋼製駆動軸を配置し、図２に示す構造の回転力伝達手段を設けた。係止部は回転軸の下端部を切削加工して形成し、長さは１０ｍｍ、厚さは４ｍｍで、係止溝の幅は５ｍｍとした。また、駆動部の丸棒状部分の直径は４ｍｍとした。
【００２４】
ヒーターを作動させてサセプタを１２００℃に加熱した状態でサセプタを毎分２０回転で回転させ、有機金属原料を含む原料ガスを導入して基板表面に半導体薄膜を成長させた。このとき、回転軸に熱膨張による僅かな変形が認められたが、この変形によってサセプタの位置がずれたり傾いたりすることはなかった。得られた半導体薄膜の均一性も十分に保たれていた。
【００２５】
比較例１
実施例１において、ボールベアリング及び回転力伝達手段を設けずに、回転軸と駆動軸とを直結して両軸によってサセプタを支持した以外は実施例１と同様の実験を行った。その結果、回転軸の変形によってサセプタの位置が僅かにずれて傾いた状態となってしまった。得られた半導体薄膜は、その一部に均一性に劣る部分があった。
【００２６】
実施例２
図３に示すフェイスダウン方式の気相成長装置において、基板支持部の直径が３００ｍｍのＳｉＣ製サセプタに直径３５０ｍｍのフランジを形成し、このフランジ部を幅２０ｍｍのローラーベアリングで支持した。サセプタの上面中央に直径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍの石英ガラス製回転軸を取り付け、その上方に１０ｍｍの空間を空けて直径１０ｍｍのステンレス鋼製駆動軸を配置し、図２に示す構造の回転力伝達手段を設けた。係止部は回転軸の上端部を切削加工して形成し、長さは１０ｍｍ、厚さは４ｍｍで、係止溝の幅は５ｍｍとした。また、駆動部の丸棒状部分の直径は４ｍｍとした。
【００２７】
ヒーターを作動させてサセプタを１２００℃に加熱した状態でサセプタを毎分２０回転で回転させ、有機金属原料を含む原料ガスを導入して基板表面に半導体薄膜を成長させた。このとき、回転軸に熱膨張による僅かな変形が認められたが、この変形によってサセプタの位置がずれたり傾いたりすることはなかった。得られた半導体薄膜の均一性も十分に保たれていた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相成長装置によれば、サセプタの回転軸が熱変形を起こしても、サセプタの位置を一定に保ち、安定した回転状態を維持することができるので、基板上に均一な半導体薄膜を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の第１形態例を示す要部の断面正面図である。
【図２】回転力伝達手段の一例を示す断面底面図である。
【図３】本発明の気相成長装置の第２形態例を示す要部の断面正面図である。
【符号の説明】
１１…フローライナー、１２…ガス導入口、１３…ガス導出口、１４…基板、１５…サセプタ、１６…回転軸、１７…上部開口、１８…サセプタ支持ケース、１９…ヒーター、２０…断熱箱、２１…サセプタ支持ケース底板、２２…ベアリング、２３…断熱箱底板、２４…駆動軸、２５…回転力伝達手段、２６…係止部、２７…係止溝、２８…駆動部、５１…フランジ

Claims (2)

1. サセプタにより保持された基板の表面に平行な方向に原料ガスを供給し、基板表面に半導体薄膜を成長させる横型の気相成長装置において、前記サセプタの外周をベアリングで回転可能に支持するとともに、サセプタの中心から突出した回転軸と、該回転軸を介してサセプタを回転させるための駆動軸とを非接触状態で配置し、前記回転軸と前記駆動軸との間に、駆動軸の回転運動を駆動軸から回転軸に伝達可能な回転力伝達手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記回転力伝達手段は、前記回転軸に設けた係止部と、前記駆動軸に設けた駆動部とを、回転軸及び駆動軸の軸線方向に移動可能な状態で、かつ、駆動軸の回転運動を駆動軸から回転軸に伝達可能な状態で係止させたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。

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