JP2005302939A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サセプタの熱が熱伝導により反応炉外部へ逃げるのを防止する目的で断熱シャフトを設けた気相成長装置において、サセプタの偏心が発生するのを防止するサセプタ支持構造を提供すること。
【解決手段】サセプタ１０側の下部回転軸１のフランジ部１ａと上部回転軸２のフランジ部２ａとを対向させ、両フランジ部１ａ、２ａを一体的に外側から包囲体６で被い、この包囲体６の内面６ｃ〜６ｆに両フランジ部の対向面とは反対側の面１Ａ、２Ａをそれぞれ接触させることにより、両フランジ部１ａ、２ａをその回転軸１、２が偏心しないように連結する。又は、下部回転軸１の頂部の内向フランジ部１ｃの下面と、これに挿通させた上部回転軸２のフランジ部２ａの上面とを対接させることにより、下部回転軸１と上部回転軸２が偏心しないように連結する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反応炉内に懸架されたサセプタに複数の基板を配置して、各基板上に単結晶、多結晶、あるいはアモルファスの薄膜を気相成長させる装置、特にそのサセプタ支持構造に関するものである。

基板上に薄膜を形成させるエピタキシャル成長法の一種である気相成長法においては、膜厚分布、比抵抗分布等が均一な高品質結晶を成長させるため、原料ガス濃度や流れが複数の基板表面で均一になるよう、サセプタを回転させながら成長させる方法が一般的である。

このような気相成長装置としては、図７に示すように、回転軸２０により反応炉内に懸架されたサセプタ１０に複数の基板５を配置して、各基板上に単結晶、多結晶、あるいはアモルファスの薄膜を気相成長させる装置がある（例えば、特許文献１参照）。この気相成長装置（成長炉）においては、ガス流路１４側に向けて回転軸２０で懸架された板状のサセプタ１０の開口内に、基板５がフェイスダウンでセットされる。回転軸２０に固定のサセプタ１０は、成長中、一方向に回転しており、下から上に向かう原料ガス１６が、サセプタ１０の下を、そのサセプタ中心部から半径方向外側に向けて、ガス流路１４を流れ、ヒータ１５により加熱された自公転する基板５上で分解し、基板５に結晶成長する。

かかる気相成長装置において、サセプタに偏心が生じると基板の位置により特性が変わってしまうという悪影響があるため、できるだけ精度良くサセプタを回転させたいという要請がある。ここで「偏心」とは、図４に示すように、上記回転軸２０が、サセプタの中心に下端を固定した下部回転軸１に断熱シャフトである上部回転軸２を同軸的に接続した構造において、その下部回転軸１の中心軸線（サセプタ中心軸線）１ｂが、上部回転軸２の中心軸線（断熱シャフト中心軸線）２ｂに対してずれており、ずれたまま回転する状態のことを言う。

図５は、このような回転軸による気相成長装置のサセプタ支持構造を示す概略図、図６はそのサセプタと断熱シャフトの連結部分の断面図である。

基板５ａ〜５ｄがセットされる円板状のサセプタ１０の中心に下端が固定された下部回転軸１の上端にはフランジ部１ａが形成されており、また、断熱シャフトである上部回転軸２の下端にも同一径のフランジ部２ａが形成されている。そして、この下部回転軸１のフランジ部１ａと上部回転軸２のフランジ部２ａは、黒鉛シート３を介して、ボルト４で固定される。

このように黒鉛シート３を介在させる理由は次による。すなわち、上部回転軸２は断熱シャフトとして低熱伝導率の材料で構成され、サセプタ１０の熱が熱伝導により反応炉外部へ逃げるのを防止する。ここで断熱シャフト（上部回転軸２のフランジ部２ａ）とサセプタ（下部回転軸１のフランジ部１ａ）をボルト４で締め付けると、反応炉内温度が高温になった際、断熱シャフト（上部回転軸２）とボルト４、およびサセプタ（下部回転軸１）とボルト４の熱膨張率の違いにより応力が発生し、フランジ部２ａ、１ａが破損する恐れがある。この応力を吸収してフランジ部の破損を防ぐため、可撓性のある黒鉛シート３が、断熱シャフトとサセプタ側の下部回転軸の間に挟み込まれる。
特開平１０−２１９４４７号公報

しかしながら、サセプタ側の下部回転軸と断熱シャフトたる上部回転軸は、図６のとおり複数のボルト４で固定する構造であり、さらに可撓性のある黒鉛シート３を挟み込むため、偏心しないように各ボルト４の締め具合を調整する必要があるが、完全に偏心をなくすのは困難である。また、常温で調整を行い可能な限り偏心を抑制しても、反応炉内の温度を上げると各部品が熱膨張するため、組み立て部分で撓みが生じ、その結果サセプタが大きく偏心する。この結果、膜厚分布、比抵抗分布等が均一な高品質結晶を得難いという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、サセプタの熱が熱伝導により反応炉外部へ逃げるのを防止する目的で断熱シャフトを設けた気相成長装置において、サセプタの偏心が発生するのを防止するサセプタ支持構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、サセプタと断熱シャフトそれぞれのフランジ部を、黒鉛シートを介して対向させボルトで締め付けて固定する代わりに、連結部品を用いて断熱シャフトとサセプタを固定することで黒鉛シート及びボルトを不要としたサセプタ支持構造のものである。

具体的には、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る気相成長装置は、サセプタを懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた気相成長装置において、サセプタの中心に下端を固定した下部回転軸の上端にフランジ部を形成すると共に、断熱シャフトである上部回転軸の下端にフランジ部を形成し、上記サセプタ側の下部回転軸のフランジ部と上部回転軸のフランジ部とを対向させ、両フランジ部を一体的に外側から包囲体で被い、この包囲体の内面に両フランジ部の対向面とは反対側の面をそれぞれ接触させることにより、両フランジ部をその回転軸が偏心しないように連結したことを特徴とする。

サセプタと断熱シャフトを固定するために、ボルトの代わりに専用の連結部品を使用することで回転軸の偏心を防止することを特徴とするサセプタ支持構造。

請求項２の発明は、請求項１記載の気相成長装置において、上記包囲体が回転軸の両側方向に複数個に分割された分割片から成ることを特徴とする。

請求項３の発明に係る気相成長装置は、サセプタを懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた気相成長装置において、サセプタの中心に下端を固定した中空の下部回転軸の上端に内向フランジ部を形成すると共に、この内向フランジ部に挿通された断熱シャフトである上部回転軸の下端に、下部回転軸の内径と同一径のフランジ部を形成し、上記サセプタ側の下部回転軸の内向フランジ部と上部回転軸のフランジ部とを対接させて接触させることにより、下部回転軸と上部回転軸が偏心しないように連結したことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明は、サセプタ側の下部回転軸のフランジ部と上部回転軸のフランジ部とを対向させ、両フランジ部を一体的に外側から包囲体で被い、この包囲体の内面に両フランジ部の対向面とは反対側の面をそれぞれ接触させることにより、両フランジ部をその回転軸が偏心しないように連結した構成のものである。懸架されているサセプタの重みで、下部回転軸のフランジ部が包囲体の下側内面に係合し、包囲体の上側内面に上部回転軸のフランジ部が係合する。従って、上部回転軸が回転すると、摩擦係合により、包囲体が連行されて回転し、この包囲体に連行されて下部回転軸及びサセプタが回転する。かかる連結構造の場合、組み立て精度は、サセプタの下部回転軸と、断熱シャフトたる上部回転軸と、これを包囲する包囲体（連結部品）の加工精度だけに依存し、従来のように、ボルトナットの締付具合により組み立て精度が左右されることはない。

なお、包囲体は好ましくは二分割（半割構造）として構成するが、３片以上の分割片で構成することもできる。

次に、本発明の別の形態は、中空の下部回転軸の上端に内向フランジ部を形成すると共に、この内向フランジ部に挿通された断熱シャフトである上部回転軸の下端に、下部回転軸の内径と同一径のフランジ部を形成し、この下部回転軸の内向フランジ部と上部回転軸のフランジ部を対接させ接触させて、下部回転軸と上部回転軸が偏心しないように連結した構成のものである。本発明のこの形態においても、懸架されているサセプタの重みで、下部回転軸の内向フランジ部が上部回転軸のフランジ部の上面に係合し、上部回転軸が回転すると、摩擦係合により、内向フランジ部が連行されて下部回転軸及びサセプタが回転する。従って、かかる連結構造の場合も、組み立て精度は、サセプタの下部回転軸と、断熱シャフトたる上部回転軸と、それらの内向フランジ部及びフランジ部（連結部）の加工精度だけに依存し、従来のように、ボルトナットの締付具合により組み立て精度が左右されることはない。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

請求項１、２に記載の発明によれば、サセプタ側の下部回転軸と断熱シャフトたる上部回転軸それぞれに設けられたフランジ部を、半割構造等の包囲体から成る連結部品で接続するため、組み立て精度が、サセプタ側の下部回転軸と、断熱シャフトたる上部回転軸と、これらを包囲する包囲体（連結部品）の加工精度だけに依存する。よって、熱膨張やボルト締め付け具合等の影響を受けずに、偏心の発生しない高精度な組み立てができ、さらに気相成長時の高温下でも撓みが発生せず、サセプタの偏心を防止することができる。これにより、膜厚分布、比抵抗分布等が均一な高品質結晶を成長させることが可能である。

請求項３に記載の発明においても、懸架されているサセプタの重みで、下部回転軸の内向フランジ部が上部回転軸のフランジ部の上面に係合し、上部回転軸が回転すると、摩擦係合により、内向フランジ部が連行されて下部回転軸及びサセプタが回転する構成となっていることから、組み立て精度は、サセプタの下部回転軸と、断熱シャフトたる上部回転軸と、それらの内向フランジ部及びフランジ部（連結部）の加工精度だけに依存する。従って、請求項３の発明の連結構造の場合も、熱膨張やボルト締め付け具合等の影響を受けずに、偏心の発生しない高精度な組み立てができ、さらに気相成長時の高温下でも撓みが発生せず、サセプタの偏心を防止することができる。これにより、膜厚分布、比抵抗分布等が均一な高品質結晶を成長させることが可能である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る気相成長装置のサセプタ支持構造部分の概略図であり、図２はそのサセプタと断熱シャフトの連結部分の断面図である。

気相成長装置の基本的構造は、図７で説明したところと同じであり、回転する板状のサセプタ１０に、基板５（５ａ〜５ｄ）を配設し、且つ成長面たる下面をガス流路１４側に向けて支持し、サセプタ中心部分から放射状に原料ガス１６を流し、ヒータ１５で加熱された基板５上で半導体結晶をエピタキシャル成長させる構成となっている。

図１に戻り、サセプタ１０の支持構造は、従来と同様に、サセプタ１０を懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた構造となっている。すなわち、サセプタ１０の中心に下端を固定した下部回転軸１の上端にフランジ部１ａを形成すると共に、断熱シャフトである上部回転軸２の下端に同一径のフランジ部２ａを形成し、上記サセプタ側の下部回転軸のフランジ部１ａと上部回転軸のフランジ部２ａとを同軸的に対接させている。しかし、上記サセプタ側の下部回転軸１のフランジ部１ａと上部回転軸２のフランジ部２ａとは同軸的に対向させれば十分であり、必ずしも接触させることを必須とするものではない。

次に、従来と大きく異なり、両フランジ部１ａ、２ａの連結は一体的に外側から包囲体６で被うことにより行われている。包囲体６は、上端壁と下端壁と周壁を有する中空体から成り、この例では回転軸１、２の両側に二分割された分割片６ａ、６ｂから構成されている。そして、サセプタ１０の自重を利用して、この包囲体６の上端壁と下端壁の内面に、両フランジ部１ａ、２ａの対接面とは反対側の面１Ａ、２Ａをそれぞれ係合させ接触させることにより、両フランジ部をその回転軸が偏心しないように連結した構成となっている。

このようにサセプタ側の軸と断熱シャフトを固定する手段として、ボルトの代わりに専用の連結部品を使用することで、回転軸の偏心を防止したサセプタ支持構造が得られる。

本実施形態においては、従来技術におけるボルトが存在しないため、断熱シャフトたる上部回転軸２からサセプタ側の下部回転軸１への回転力は、（１）上部回転軸２のフランジ部２ａの上面２Ａと、連結部品たる包囲体６の上端壁（内向フランジ部）内面６ｃ、６ｄとが互いに接触するところの両接触面の摩擦抵抗、及び、（２）サセプタ側の下部回転軸１のフランジ部１ａの下面１Ａと連結部品たる包囲体６の下端壁（内向フランジ部）内面６ｅ、６ｆとが互いに接触するところの両接触面の摩擦抵抗、によって伝達されることになる。

通常、静止状態から３０回転／分の定速回転に達するまでの加速回転期間は１５秒と長いため、これら部品間で滑りが発生しサセプタが回転しないという問題はない。また定速回転期間においては、慣性モーメントによる回転が支配的になるため、同様に滑り発生の問題はない。

また、サセプタと断熱シャフトそれぞれに設けられたフランジ部を対向させた状態で、それらを半割構造の連結部品６ａ、６ｂで接続する。この場合の組み立て精度は、サセプタ、断熱シャフトと連結部品の加工精度に依存し、熱膨張やボルト締め付け具合等の影響を受けない。この結果、偏心の発生しない高精度な組み立てが可能で、さらに気相成長時の高温下でも撓みが発生しないため、サセプタの偏心を防止することができる。

基板５ａ〜５ｄをセットしたサセプタ１０の下部回転軸１を、連結部品たる包囲体６を介して断熱シャフトたる上部回転軸２に固定した後、常温においてサセプタ１０を毎分３０回転で回転させた状態で回転軸の偏心幅を測定した。この結果、回転軸の偏心幅は０．１mmであり、従来技術における０．５mmに対して格段に精度が向上した。また、加速回転期間と定速回転期間の両方において、断熱シャフトとサセプタの滑りは認められなかった。

さらに反応炉内の温度が成長温度に到達した時点で、サセプタ１０の回転の様子を、炉内観察用窓を通して観察したところ、目視において偏心は全く確認できなかった。これは従来技術においてサセプタが明らかに偏心しているのが観察されたのに比べると、大幅な改善である。

このように本発明によれば、断熱シャフトとサセプタ軸は連結部品を介して接続されるため、熱膨張やボルト締め付け具合等の影響を受けずに高精度で組み立てることが可能で、さらに高温下でも撓みが発生しないため、サセプタの偏心を防止することができる。

＜実施形態２＞
図３に本発明の気相成長装置の他の実施形態を示す。

この気相成長装置は、 サセプタを懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた気相成長装置において、サセプタ１０の中心に下端を固定した中空の下部回転軸１の上端に内向フランジ部１ｃを形成すると共に、この内向フランジ部１ｃに挿通された断熱シャフトである上部回転軸２の下端に、下部回転軸の内径と同一径のフランジ部２ａを形成し、上記サセプタ側の下部回転軸１の内向フランジ部１ｃと、上部回転軸２のフランジ部２ａの上面２Ａとを対接させて接触させることにより、下部回転軸と上部回転軸が偏心しないように連結したものである。

この実施形態のサセプタ支持構造においても、サセプタの組み立て精度は、サセプタ側の下部回転軸１及び内向フランジ１ｃと断熱シャフトたる上部回転軸及びフランジ部２ａの加工精度に依存する。このため組み立て精度は、図２における実施形態に比較しても同等である。

本発明の気相成長装置の一実施形態に係るサセプタ支持構造の概略図である。 図１のサセプタ支持構造におけるサセプタ側の下部回転軸と断熱シャフトの連結部分を示す断面図である。 本発明の気相成長装置の他の実施形態に係るサセプタ支持構造の概略図である。 偏心の概念の説明に供する概略図である。 従来技術におけるサセプタ支持構造を示す概略図である。 従来技術におけるサセプタ側の下部回転軸と断熱シャフトの連結部分を示す断面図である。 気相成長装置の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１ 下部回転軸
１ａ フランジ部
１ｃ 内向フランジ部
１Ａ 下面（接触面）
２ 上部回転軸（断熱シャフト）
２ａ フランジ部
２Ａ 上面（接触面）
５、５ａ〜５ｄ 基板
６ 包囲体（連結部品）
６ａ、６ｂ 分割片
６ｃ〜６ｆ 端壁内面（接触面）
１０ サセプタ
１４ ガス流路
１５ ヒータ
１６ 原料ガス
２０ 回転軸

Claims (3)

1. サセプタを懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた気相成長装置において、
   サセプタの中心に下端を固定した下部回転軸の上端にフランジ部を形成すると共に、断熱シャフトである上部回転軸の下端にフランジ部を形成し、
   上記サセプタ側の下部回転軸のフランジ部と上部回転軸のフランジ部とを対向させ、両フランジ部を一体的に外側から包囲体で被い、
   この包囲体の内面に両フランジ部の対向面とは反対側の面をそれぞれ接触させることにより、両フランジ部をその回転軸が偏心しないように連結したことを特徴とする気相成長装置。
2. 上記包囲体が回転軸の両側方向に複数個に分割された分割片から成ることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. サセプタを懸架する回転軸の一部に、熱伝導率の低い材料で構成された断熱シャフトを介在させた気相成長装置において、
   サセプタの中心に下端を固定した中空の下部回転軸の上端に内向フランジ部を形成すると共に、この内向フランジ部に挿通された断熱シャフトである上部回転軸の下端に、下部回転軸の内径と同一径のフランジ部を形成し、
   上記サセプタ側の下部回転軸の内向フランジ部と上部回転軸のフランジ部とを対接させて接触させることにより、下部回転軸と上部回転軸が偏心しないように連結したことを特徴とする気相成長装置。

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